VRN1的多重效应---兼论分子育种

作者：麦萌

群里今天说到分子育种的问题，有的小伙伴抛出下面一张图。

图里的观点我是一半赞同一半不赞同。不赞同的是分子育种的精华是将DNA带进田间。我倒是认为恰好相反，未来应该是田间的育种材料必须经过实验室DNA检验才能种到田里。现在还有一种说法叫做分子设计育种，这个叫法很贴切。也许初期经验不足，设计出的材料在田间不是最好的，但是一旦经验上升为科学，育种是一门艺术的说法也许终将会消失。

群里后来又有小伙伴抛出“从头驯化”的观点。我很崇拜这个观点，有的时候我就想，小麦的穗子为啥不能长得像水稻像谷子像狗尾草？如果将来有一天会有这样一个项目，我都给他起好名字了，叫逆天改命。所谓我命由我不由天，大自然的馈赠不够完美，就想改改而已。

扯远了，回到今天推送的主题VRN1，提到VRN1就不得不提严六零教授，为啥呢？因为这个人低调奢华有内涵，高端大气上档次，说笑的，那主要是因为VRN1是人家克隆的，现在这篇PNAS上的文章引用已经上千次了（下图）。

找到了VRN1是不是就心满意足了，然而并没有，严老师在接下来的3年时间里又接连把VRN2以及VRN3给克隆了。

就问服不服！？话说十几年前小麦里图位克隆就玩的这么溜的也没谁了，当然这里还要提一下严老师当时所在的实验室，加州大学戴维斯分校的Jorge Dubcovsky实验室（见下图）。刚入门的新研究生可以翻翻他实验室发的文章，如果能信手拈来，你离大神也不远了。

好了，人物介绍到这。我们来看今天的这篇研究，题目是“Nitrogen use efficiencyis regulated by interacting proteins relevant to development in wheat”，发表在plant biotechnology journal上，通讯作者是严六零教授。摘要如下，

Wheat (Triticum aestivum) has low nitrogen use efficiency (NUE). The genetic mechanisms controlling NUE are unknown. Positional cloning of a major quantitative trait locus (QTL) for N-related agronomic traits showed that the vernalization gene TaVRN-A1 was tightly linked with TaNUE1, the gene shown to influence NUE in wheat. Because of an  Ala¹⁸⁰/Val¹⁸⁰ substitution, TaVRN-A1a and TaVRN-A1b proteins interact differentially with TaANR1, a protein encoded by a wheat orthologue of Arabidopsis nitrate regulated 1 (ANR1). The transcripts of both TaVRN-A1 and TaANR1 were down-regulated by nitrogen. TaANR1 was functionally characterized in TaANR1::RNAi transgenic wheat, and in a natural mutant with a 23-bp deletion including 10 bp at the 5' end of intron 5 and 13 bp exon 6 in gDNA sequence in its gDNA sequence, which produced transcript that lacked the full 84-bp exon 6. Both TaANR1 and TaHOX1 bound to the Ala¹⁸⁰/Val¹⁸⁰ position of TaVRN-A1. Genetically incorporating favorable alleles from TaVRN-A1, TaANR1, and TaHOX1 increased grain yield from 9.84% to 11.58% in the field. Molecular markers for allelic variation of the genes that regulate nitrogen can be used in breeding programs aimed at improving NUE and yield in novel wheat cultivars.

在一个双亲群体中检测到5A长臂上有一个氮相关的QTL，并且该QTL也与开花期，叶绿素含量，每穗粒数，单株产量以及收获指数显著相关，所以推测该这些性状都受该QTL调控。随后将QTL对应的基因命名为TaNUE1。

为了进一步克隆该基因，15个重组体用来进一步缩小区间，经过筛选6410个BC1F3株系，最终最小物理区间内有3个基因，分别是TaCYB5，TaAGLG1以及TaVRN-A1（下图）。

（其实我对这图里的QTL峰顶为啥没与VRN1对应有一种执念）

接下来就是要看看这个区间的序列在两个材料中的差异。最后发现TaVRN-A1的启动子区以及内含子上有差异。但是TaVRN-A1的表达并没有受氮水平的影响，所以推测可能是在蛋白水平上起作用。

在蛋白水平上，TaAGLG1有一个蛋白替换，TaVRN-A1有两个。然后就检测这两个MADS蛋白是否与ANR1基因互作。ANR1基因在拟南芥里调控侧根生长并且响应硝酸根处理，ANR1也编码一个MADS蛋白。蛋白互作实验发现，只有TaVRN-A1的一个等位变异能与ANR1基因互作。进一步通过序列比对，确定蛋白互作的关键位点，而此关键位点正好位于氨基酸有差异的地方（下图）。

至此，本文的关键打通，下面是一些验证性的实验，包括转基因，突变体等。另外也发现TaVRN-A1a也能与TaHOX1互作，TaHOX1在小麦的抽穗期中具有重要功能。这个结果说明TaVRN-A1，ANR1和TaHOX1，这三个基因间的互作关系影响了氮相关的性状。

这篇文章到此结束，细节的地方还请参考原文。接下来介绍另外一篇与VRN1有关的文章。其实这篇文章在其刚刚在线的时候我们简单的介绍过（

原文中此处为链接，暂不支持采集

），最近又正式在线，正式在线的排版很好，索性就看了一遍，在育种上比较重要，感觉有必要给大家再说一说。这篇说到VRN1还与根的发育有关。

首先在219份小麦里做关联分析，发现5B上的一个QTL与根的伸展角度有关（nodal root angle index）。这个QTL包含6个连锁的SNP，同时发现VRN-B1也位于这个区间里（下图）。

VRN1冬性的等位基因存在的话会减少根生长的夹角（见下图），冬性的等位基因在苗期降低根长，而在开花期则会使根长增加。

在大麦里也观察到这一现象。不同的一点是，在苗期冬性等位基因并没有明显的影响根长。VRN-H1既能够促进开花也能让根扎得更深（steep, cheap, and deep）。而对VRN-H2的分析（VRN-H1的靶基因）发现，VRN-H2的一个缺失变异能够打破这种双重作用，该缺失变异能够促进开花但不影响根的生长。

为了进一步确定是VRN-B1控制根型而不是因为与其他基因连锁导致的，作者安排了转基因实验，实验结果证明了是VRN-B1基因。后面作者又进一步分析了表达以及在自然群体中的效应。

这篇文章给我们一个启示，开花早，可能根扎的不深，扎的不深就不容易抗旱。毕竟干旱节水也是育种的一个重要方面。文中在大麦里已经发现可以打破这种连锁，在小麦里还需要进一步挖掘。

结合第一篇文章提到的关于N吸收与利用的问题来看，这个问题还挺复杂。有的时候我们想要早熟的，结果导进去其他性状又不好了。既然明白了VRN1的多重作用，后面就有机会改造它。

其实回头再看看我们讨论的分子育种问题，不是分子育种（分子设计育种）不行，而是我们才刚刚开始。正如早期的计算机干不了多少活，现在呢？离了它，那将是多么麻烦的一件事。

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