作為全球最重要的糧食作物之一,小麥滿足了人類20%的卡路里和蛋白質需求,為全球超過三分之一的人口提供能量來源。受極端天氣條件和國際局勢影響,今年幾個主要出口國紛紛減產。聯合國糧農組織數據顯示,今年小麥出口價格上漲了46%,全球食品價格已經漲至10年來最高點,明年小麥價格將繼續飆升并加劇全球食品通脹,提高小麥產量是直接關系到世界糧食安全的重大問題。小麥產量受三個主要因素的影響:單位面積穗數、粒重和每穗籽粒數,其中單位面積穗數受分蘗數影響,每穗籽粒數由小穗數(SNS)和小穗籽粒數決定。

2022年4月8日,Science雜志在線發表了來自俄克拉荷馬州立大學小麥分子遺傳實驗室Liuling Yan教授和Brett F. Carver教授為通訊題為“TaCol-B5 modifies spike architecture and enhances grain yield in wheat”的研究論文。該研究克隆了一個CONSTANS-like家族基因,TaCOL-B5,該基因對小穗數、分蘗數以及單株產量等性狀都有明顯的調控作用,田間測產顯示該基因對小麥增產有極顯著的促進作用。

該實驗室在前期研究中通過CItr 17600 和揚麥18兩個品種的雜交構建了一個F2代群體,并使用圖位克隆的方法在染色體Chr7B上鑒定到一個主效QTL(QSns.osu-7B),能夠解釋群體中43%的SNS表型分離(圖1A)。為了克隆該基因,該實驗室從1857個F5代植株中篩選到了4個關鍵的重組體植株,并根據其子代的SNS 分離情況,將候選基因限制在兩個分子標記(SNS-M1 和 SNS-G2M3)之間,約為318,786 bp的區域。在該區域存在兩個候選基因：TraesCS7B02G400600和 TraesCS7B02G400700(圖1B)。

通過序列分析發現,TraesCS7B02G400700基因編碼區以及其可能的啟動子區在兩親本間不存在序列差異；然而TraesCS7B02G400600基因編碼區在兩親本間存在多個SNP位點,推測該基因參與調控SNS性狀的可能性較大。由于TraesCS7B02G400600編碼了一個CONSTANS-like蛋白,與植物中的COL5基因同源,因此命名為TaCOL-B5。為驗證其功能,該實驗室通過轉基因技術過表達其顯性等位基因TaCol-B5后獲得4個獨立的轉基因植株,然后在溫室和田間條件下對子代的轉基因株系進行種植并發現該基因的過表達能夠增加小穗數和穗長,對小麥籽粒產量有顯著促進作用(圖1C)。