小麦是我国主要口粮作物之一，具有独特的加工品质。提高小麦产量和品质对保障国家粮食安全和改善人民生活水平具有重要作用。小麦加工品质主要取决于种子储藏蛋白。产量和籽粒蛋白质含量是小麦育种和生产的两个关键目标性状，然而这两个性状通常呈现负相关。为同步提升产量和籽粒蛋白质含量，生产上通常大量施用氮肥，这不仅显著增加小麦种植成本，还导致环境污染。而且，当产量和籽粒蛋白质含量达到一定水平后，继续增施氮肥不再具有正效应。祁鹏飞团队前期研究发现驯化基因Q是决定小麦产量和籽粒蛋白质含量的关键遗传因子之一，其优异等位变异能够协同提高产量和籽粒蛋白质含量。然而，Q基因协同调控小麦产量和籽粒蛋白质含量的分子机制尚不明确。

近日，四川农业大学小麦研究所祁鹏飞教授团队在Journal of Genetics and Genomics在线发表题为“Genome-wide analysis of Q binding reveals a regulatory network that coordinates wheat grain yield and grain protein content”的研究论文。该研究揭示在小麦籽粒灌浆阶段，Q基因通过调控光合作用和碳/氮代谢关键基因的表达，协同提高产量和籽粒蛋白质含量。

该研究通过深入分析Q基因对种子表达谱的影响及在全基因组的结合情况，揭示了其多重调控机制。研究发现Q基因能够调控一系列光合作用以及碳/氮代谢相关基因的表达，并鉴定出3个高可信度的Q结合元件。同时，Q基因存在自身正反馈表达调控机制，这是它协同提高产量和品质的关键之一。进一步研究发现，Q基因的上调表达能够显著提高小麦源器官的氮素装载和运输水平，同时增强籽粒的氮同化能力和氨基酸的转运能力，最终实现千粒重和籽粒蛋白质含量的协同增加。此外，Q蛋白能够直接结合并上调氮同化关键基因GSr-4D的表达，小麦转基因实验结果表明过表达GSr-4D显著提高籽粒蛋白质含量。

Q基因协同提高小麦产量和籽粒蛋白质含量模式图

综上所述，该研究初步解析了Q基因通过调控光合作用和碳/氮代谢基因，协同提高小麦产量和籽粒蛋白质含量的分子机制，为后续Q基因优异等位变异的创制、筛选和育种利用提供了理论基础。

作者简介

四川农业大学小麦研究所已毕业博士研究生朱静为该论文第一作者，魏育明教授和祁鹏飞教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和四川省科技厅的资助。