拼写因子基因的遗传变异性小麦属植物和山羊草属物种

背景

细粒性、穗轴脆性和穗形是小麦驯化和进化的关键性状，决定着作物产量和收获效率。拼写因子基因问：在多倍体小麦中控制着广泛的驯化相关性状，包括上述这些。本研究的主要目的是描述问：基因用于小麦的未取消牧群，包括四个民族学习，以及山羊草属加入，并根据差异分析物种演变问：基因序列。

结果

本文对15个小麦品种的穗部形态进行了研究，其中包括4个地方特有种小麦属植物玛莎那t . tibetanum那T. Aestivum.SSP。Petropavlovskyi.和t . speltaSSP。云阵, 24山羊草属附加，是B和D基因组的捐赠者，用于多倍体小麦。这Q-5A那q-5D和q-5S基因的研究，发现了一种新的等位基因Q-5A基因被发现在加入中t . tibetanum（ku510和ku515）。这个等位基因类似于问：等位基因的T. Aestivum.简历。在第5外显子内有一个长度为161 bp的插入。这一插入导致了码移和过早终止密码子的形成。因此,t . tibetanum有拼写峰，这可能是由基因决定的Tg,而不是Q。我们确定了q-5D六倍体小麦和他们的D基因组供体中的基因山羊草属tauschii。此外，我们还研究了植物材料C21-5129、KU-2074和K-1100Ae。Tauschii.SSP。Strangulata.，这可以参与六倍体麦的起源。

结论

的变异性和系统发育关系问：基因序列的研究使我们能够明确属的种与种之间的关系小麦属植物并预测D基因组的供体Ae。Tauschii.加入。Ae。Tauschii.SSP。Strangulata.其中C21-5129、KU-2074和K-1100是最有趣的三种类型q-5D和q-5D的T. Aestivum.简历。中国的春天。这个结果表明供体是Ae。Tauschii.SSP。Strangulata.但不是Ae。Tauschii.SSP.．tauschii。我们的分析使我们能够澄清该属的系统发育关系小麦属植物．

穗的性状对驯化是至关重要的，因为它们决定了作物的产量和收获效率。在小麦品种穗部性状的控制中至少有4个不同的位点，即斯佩尔特因子基因问：(可重塑性，轴脆性和穗状)，non-brittle脊柱1（Btr1 -穗状脆弱性及其严重程度），顽强的颖片基因座（Tg -脆性和脊柱脆性)和软颖轨迹（sog- threshability) (1那2那3.那4.那5.那6.那7.那8.那9.］．问：位于染色体5A的长臂上的基因控制多倍体小麦的各种与驯化相关的性状。分子克隆允许问：要提到的基因Apetala2.（AP2） - 状转录因子并允许两种功能等位基因Q-5A和q-5A要描述[1］．

大多数分析的栽培小麦物种的特征在于具有非脆性rachis的自由脱粒，正常（或紧凑）钉和等位基因存在的存在Q-5A．相反，等位基因q-5A已在野生小麦中描述，没有自由脱粒脆弱的拼写尖刺[1那2那10.］．描述了两个单核苷酸多态性（SNPs）问：和问：等位基因:(1)靠近AP2结构域的8外显子G - C转换，导致缬氨酸到异亮氨酸的非同义替换;(2)10外显子miRNA172结合位点中性C - T替换[1那2那3.那4.那11.］．

监管机制问：基因表达仍然缺乏研究。基于双杂交酵母分析的结果，Simons et al.(2006)认为329位异亮氨酸的存在导致了有效的同型二聚体的形成，从而增加了Q-5A另一方面，植物miRNA172在花的发育和调控中起重要作用AP2- 状转录因子[10.那12.那13.那14.那15.］．在最近的研究中，已经向MiRNA172在监管中得到了大量的关注问：基因，因为在miRNA172靶位点的变异增加问：表达式[16.那17.那18.］．因此，在面包小麦品种Sunstate的突变体中，Greenwood et al.(2017)描述了等位基因问的，其在miRNA172结合位点内具有额外的SNP。突变植物表现出降低的高度，紧凑的尖峰表型和更高的表达问的等位基因（与...相比）问：等位基因），由于MIRNA172依赖性mRNA降低的水平降低，因为miRNA172切割了问：等位基因转录物比那些更有效问：miRNA172活性降低导致穗紧实，更易脱粒。此外，研究表明，转基因小麦中miRNA172的过表达导致非自由脱粒(裸)粒和长穗的形成，每穗的小花数量增加[16.］．刘等。（2018）表明了问：基因是一种核转录抑制器，其与裸照相互作用，他们建议在Triticum Aestivum.l问：表达由miRNA172和裸照调节。

尽管事实是q-5B表示假基因和q-5D是在较低的水平表达Q-5A，它们都有助于抑制拼写的穗状体形成[2］．最近发现了一个新的等位基因Q'-5D鉴定了miRNA172结合位点内的点突变[19.］．等位基因的特征在于转录水平增加和对尖峰致密度和植物侏儒的影响T. Aestivum.简历。Nauh164。然而问：基因的研究很少山羊草属这些物种被认为是多倍体小麦B和D基因组的供体。

在目前的研究中，问：从小麦品种(包括4种特有种，T. Macha.Decapr。et meanabde，t . tibetanum邵,T. Aestivum.SSP。Petropavlovskyi.（udacz。等。）N.P.Gontsch. andt . speltaSSP。云阵（国王前S.L.陈）N.P.Gontsch。），Aegilops Spottoides.Tausch和Ae。Tauschii.输出电容。基于变异性和系统发育关系问：基因序列，我们建议的方案小麦属植物土地山羊草属L.进化。

问：属中的基因等位基因小麦属植物物种

在本研究中，我们测定了15个小麦品种的3个穗形态性状，包括二倍体(t . monococcumlt . urartu图姆。Gandil交货。T. Beeoticum.和特有的六倍体(T. Macha.Decapr。et meanabde，T. Aestivum.SSP。Petropavlovskyi.（udacz。等。）N.P.Gontsch。，t . speltaSSP。云阵(陈少林)N.P. Gontsch.，T. Vavilovii.(图姆。)Jakibz。t . tibetanum邵）（图。1额外的文件1:表S1)。

我们扩增了全长序列问：-5三个二倍体和四个六倍体小麦物种的基因。将获得的序列与已知的序列进行比较问：和问：基因库中小麦品种的等位基因。系统发育分析表明，所有的二倍体材料均为T. Macha.非自由脱粒易碎的斯佩尔特峰具有等位基因5 aq， 相同t . dicoccum(AY714343)(图。2）.

序列Q-5A基因来自两种遗传T. Aestivum.SSP。Petropavlovskyi.使用自由阈值非脆弱的拼写类似的尖峰与等位基因相同Q-5A从T. Aestivum.简历。升(JF701614)。等位基因问：的t . spelta（AY714341）在加入中确定t . speltaSSP。云阵，其特征是非自由脱粒非脆弱的拼写峰。

一种新的等位基因Q-5A描述了基因t . tibetanum（Ku510和Ku515）（图。2额外的文件1:表S1)。等位基因与问：等位基因的T. Aestivum.简历。不包括外显子5中一个长度为161 bp的插入(图5)。2）.这一插入导致了码移和过早终止密码子的形成。与此同时，Jiang et al.(2019)描述了该等位基因的遗传t . tibetanum并指定它问：^T.．转座子插入导致重新采集野生特征（脆性轴）t . tibetanum[20.］．psRNATarget未预测插入区域的miRNA结合位点。

我们没有找到等位基因问“5之前描述的T. Aestivum.简历。Sunstate突变体，在分析的遗传资源中[17.］．

PCR扩增未见阳性结果Q-5A在分析的资料中T. Vavilovii.（附加文件1:表S1)。本研究中使用的引物只能扩增全长q-5D这个物种的基因。比较和系统发育分析证实了研究T. Vavilovii.遗传占有一个等位基因q-5D与…相同的基因T. Aestivum.简历。中国春天(附加文件1:表S3)。

T. Macha.那T. Aestivum.SSP。Petropavlovskyi.那t . speltaSSP。云阵,t . tibetanum，其特征是等位基因的存在q-5D，而虽然Q'-5D在所有分析的小麦品种中均未发现等位基因。2额外的文件1:表S1)。比较q-5D基因与T. Aestivum.揭示了内含子内物种特异性和接入特异性的替换(附加文件)1:表S3)。两种换乘有10个外显子内的替换。这Q-5D基因的T. Aestivum.SSP。Petropavlovskyi.具有两个非同义替换的特征，导致397Ala- > Val和405Ser- > Pro突变。同义替换出现在第3098 (G- > T)位Q-5D的T. Vavilovii.（附加文件1:表S3)。

问：基因的等位基因AE.．Tauschii.和Ae。spottoides.

在本研究中，我们确定了24种附加的尖峰形态特征山羊草属物种，是多倍体小麦的B和D基因组的捐赠者（附加文件1:表S4)。分析了登记入册的Ae。Tauschii.具有以下表型之一的特征:非自由脱粒脆弱斯佩尔特或自由脱粒脆弱斯佩尔特(突变体登录TQ27)(附加文件1:表S4)。

全身的q-5D基因序列获得十个Ae。Tauschii.附加（MK101282-MK101288，MN604288-MN604290）。将这些序列与已知的序列进行比较q-5D序列从Ae。Tauschii.和六倍体小麦，包括在本研究中鉴定的那些。序列q-5D基因的外显子高度保守，分析序列之间的差异仅限于内含子。然而，我们已经描述了一个新的等位基因，在72位有一个SNP和一个12 bp的缺失影响内含子9和外显子10Ae。Tauschii.Ku2001（图。2）.G- >a的替换是同义词，但是缺失导致帧移和缺陷蛋白的潜在形成(图。2）.

几个新获得的序列Ae。Tauschii.accessions与等位基因不同q-5D的Ae。Tauschii.EU350482，与来自六倍体的d -基因组序列更接近(附加文件1:表S3)。这问：加入K-1216和TQ27的基因类似于q-5D在六倍体中，不仅在内含子内的替换中，而且在21位的G- > C转变中(图2)。2）.

三种登记入册的Ae。Tauschii.(C21-5141, C21-5129和KU-2074)是最有趣的分析材料，因为它们的序列q-5D在C21-5129和KU-2074的情况下与q-5D的T. Aestivum.简历。中国春天（JF701618）和T. Aestivum.简历。Renan (JF701615)(附加文件1:表S3)。此外，我们分析了最可变的区域q-5D，包括内含子9、外显子10和部分3'UTRAe。Tauschii.（附加文件1:表S1)。类似于上面描述的三种附加，部分序列q-5D从Ae。Tauschii.K-1100与...相同q-5D多倍体小麦的加入(附加文件1:表S3)。此外，三种新序列（MN206106，MN604289，MN604290）的3'UTR具有与其研究的两个良好的品种描述的相同长度的CT轨道T. Aestivum.，直接确认参与Ae。Tauschii.SSP。Strangulata.在形成六倍体麦。

全身的q-5S获得了4个基因序列Ae。spottoides.登记入册(无花果。2额外的文件1:表S4)。比较分析表明，他们与美国人有很大的不同q-5B多倍体小麦的序列。

的发展史问：基因序列

对新获得的和已知的全长DNA序列进行系统发育分析问：不同小麦物种的基因序列。总共70个序列A，B，D和S基因组副本问：基因用于构建系统发育树（图。3.）.在结果树中有三个主要的集群。集群I由问：B基因组的基因序列小麦属植物的S基因组Ae。spottoides.，后者形成单独的组。

D基因组复制问：基因包含在群体II的两个亚体内。这Ae。Tauschii.两个亚群中都有物种，即本研究中鉴定的5个序列与q-5D的T. Aestivum.和T. Vavilovii.登记入册(无花果。3.）.

第三个集群有一个清晰可识别的子集群q-5A二倍体的序列t . sinskajae那T. Beeoticum.和t . monococcum．第三组的其余部分的结构不太明确，由两者组成q-5A和Q-5A来自的等位基因t . urartu和多倍体小麦。尽管如此,Q-5A序列t . tibetanum和T. Aestivum.SSP。Petropavlovskyi.与四倍体和六倍体小麦物种一起分组Q-5A等位基因。在集群III中，可以确定一个具有高支持度的分支。这个分支机构包括t . tibetanum那T. Aestivum.SSP。相似性,t . aestivum那T. Polonicum.那t .紧统和T. Sphaerococcum.．

问：中国特有物种的基因序列t . speltaSSP。云阵美国和欧洲并列t . spelta，这可以确认人类参与创造此类物种。这T. Macha.序列在群中形成一个单独的分支q-5A等位基因序列。序列t . urartu与多倍体麦单独定位，但不形成单个子簇。

现代栽培多倍体小麦物种的起源是一种复杂的且不完全阐明的历史，包括出现的属属小麦属植物这是一种自然的方式，也是人类活动的结果。结合生物信息学和实验研究方法，通常可以建立不同类群内物种的系统发育关系。不幸的是，属的种小麦属植物出现于大约一万年前，所用的所有分子标记都有最小数量的核苷酸替换，这使得该属所有已知物种的系统发育关系不能完全建立。标准的叶绿体和线粒体标记允许确定基因组A、B、D和G的系统发育，但不允许揭示这些物种的系统发育关系[21.那22.］．

因此，基于在编码归化中涉及的特征的基因中发生的各种突变分析的方法，这对于鉴定属的种类的出现是相当富有成效的小麦属植物建立它们的系统发育关系。这一方法已被用于一些研究，以阐明二倍体和四倍体小麦物种的进化。在目前的工作中，我们在Q-5A和Q-5D阐明属系统发育的基因小麦属植物和山羊草属．

众所周知，所有六倍物种的基因组的来源是t . urartu，B和G基因组的来源是Ae。spottoides.他的S基因组是小麦B和G基因组的祖先。在所有二倍体小麦中，包括突变体t . sinskajae此外，目前检测到仅检测到v型V \ GGC（第10个外显子中的MiRNA172结合位点内的329缬氨酸和GGC主题）[目前的研究;1]。然而，由于分脂小麦物种，基因中具有脆弱轴承率和非易碎轴承的易脆性轴承座BTR1-а引起研究人员的注意[5.那6.］．Pourkheirandish等(2018)发现，在编码区域的非同义变化BTR1-A.(A119T)决定了二倍体单粒小麦的轴脆特性。两者之间的关系Btr1和问：基因，以及它们对脊柱脆弱性的共同贡献，目前尚不清楚。

所有六倍倍细性均接受D基因组Ae。Tauschii.，几项研究强调捐赠者是Ae。Tauschii.SSP。Strangulata.（EIG）Zvelev但不是Ae。Tauschii.SSP.．Tauschii.[23.那24.那25.那26.］．在目前的研究中，我们确定了几个等位变异q-5D都存在于Ae。Tauschii.加入。我们已经确定了q-5D序列从Ae。Tauschii.附加（C21-5129，KU-2074和K-1100），其与六倍体小麦涂抹高度相似。加入K-1100起源于阿塞拜疆，附加C21-5129和KU-2074起源于伊朗。根据现代数据，野生四倍体祖母祖母和Ae。Tauschii.，导致六倍体小麦的出现，大约发生在7000-7500年前的中亚[27.］．这使得我们可以推测C21-5129, KU-2074和K-1100的Ae。Tauschii.SSP。Strangulata.可能与六倍体小麦的起源有关。

这问：基因在六倍体A基因组中以三种变体表示:V\GGC、I\GGT(第10外显子miRNA172结合位点内的329异亮氨酸和GGT基序)和I\GAT(第10外显子miRNA172结合位点内的329异亮氨酸和GAT基序)。原V\GGC变种的物种T. Macha.和t . spelta ssp。印度欧洲变风量空调。是直接从四倍体中获得的t . dicoccum和t . spelta ssp。irano-asiaticumFlaksb。那which probably acquired it from the original tetraploid ancestor.t . spelta ssp。云阵脱离，因为这个物种携带独特的删除问：序列，仅在欧洲发现t . spelta（AY714341）。应该注意的是，所有上述物种都包含野生型问：基因。而且，格鲁吉亚特有T. Macha.分开地在该方案上t . speltaSSP。印度欧洲和t . speltaSSP。云阵，由于在q-5D基因。

剩下的六倍体物种，包括T. Aestivum.，有i \ ggt变体问：A基因组中的基因，而不是起源于T. dicoccoides.．应该注意的是，另一个独特的变体问：基因，I\GAT，在基因组中发现T. Aestivum.简历。中国的春天。至于T. Sphaerococcum.和t .紧统那AESTIVUM SSP。Petropavlovskyi.可能起源于T. Aestivum.．

江等人的结果。（2019）表明独特的Q-5A等位基因的t . tibetanum源于问：基因的T. Aestivum.．脆弱的rachist . tibetanum是重新收购在驯化期间发生的野生特征的结果。根据我们的调查，q-5D基因序列有两种替换，描述为T. Macha.登记入册。脆弱的轴T. Aestivum.和拼写的尖峰t . tibetanum可能是由基因决定的Tg，而不是问：[9.那28.］．Tg被描述为六倍体小麦物种和染色体2D的短臂局部，但直到该基因已经分子克隆，不可能识别其与基因的关系问：．

因此，我们的分析使我们澄清了属的种类的系统发育关系小麦属植物(无花果。4.）.

栽培小麦种类的起源和驯化所必需的性状仍然是一个悬而未决的问题。通过对决定小麦驯化性状的基因的研究，可以描述新的等位基因，也有望建立小麦的起源历史。在这项研究中，我们研究了拼写因子基因，问,适用于小麦物种的15种，包括四个善于善家和24个山羊草属加入。我们的分析使我们能够澄清该属的系统发育关系小麦属植物，即表明D基因组的供体用于属的属小麦属植物是Ae。Tauschii.SSP。炮．

植物材料及生长条件

小麦二倍体和六倍体种质资源山羊草属10个基因库中获得的物种(附加文件1:表S1，表S4)。在标准温室条件下每增加10株。

用人工脱粒法评估了脱粒性和轴脆性性状。如果谷粒被脱粒过程中脱落的软颖包围，则被归类为自由脱粒。脱粒后，谷粒被坚韧的颖片覆盖的穗状突起仍附着在谷粒上，判定为非自由脱粒。非易碎棘突是那些没有经历自我独立的关节分离的棘突，而易碎棘突则表现为W型或b型关节分离。从整个秸秆中分离而不破成小穗的穗是第二种易碎穗[29.］．

穗状形似是根据以下定义确定的:(1)具有细长轴和坚韧颖片的锥体穗状体是拼穗状体;(2)平头短穗为正常穗;(3)细长的纺锤形穗为拼写状穗。通过计算穗密度的Flaksberger公式，D = 10(A - 1)/B，其中(A - 1)为除顶端小穗外的每穗小穗数，B为穗轴在cm内的长度[30.］．D的计算值显示出与视觉评估穗形高度相关(见[31.]）。

总DNA提取，PCR扩增，克隆测序

根据制造商的协议，使用DNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN)从100 mg叶片中分离总DNA。这Q-5A基因序列的小麦属植物物种和Q-5D基因序列的山羊草属利用引物对和PCR条件，将物种作为6个独立重叠片段进行PCR扩增[11.］．为了鉴定miRNA172结合位点内的SNP（G-> A）的部分序列q-5D利用Zhao等设计的引物对Q-D1F, Q-D5R，对小麦六倍体材料进行了扩增。[19.］．PCR产物经琼脂糖凝胶电泳分离，QIAquick凝胶提取试剂盒(QIAGEN)纯化。用pGEM-T Easy试剂盒(Promega)将纯化的PCR片段克隆到pGEM®-T Easy载体中，在测序前使用M13引物进行扩增。测序反应使用200 ng PCR产物和大染料终止子试剂盒在SB RAS基因组学核心设施(http://www.niboch.nsc.ru/doku.php/corefacility）.每个片段共测序10个克隆Q-5A和Q-5D所有研究材料的基因。问：基因序列沉积在Genbank中。

序列分析

使用MAFFT算法v. 7.397进行多序列比对[32.]，然后在AliView 1.18.1中分析[33.］．p距离是使用MEGA v. 5.10中的Jukes-Cantor模型计算的[34.］．一种问：从起始密码子到止芯密码子（包括内含子）的基因序列区域用于使用IQ-Tree v中的最大似然法进行系统发育分析。1.6.5 [35.］．根据贝叶斯信息标准（BIC）进行分析的最佳拟合进化模型（HKKY + F + I），使用IQ树包中实现的MODEFINDIDER算法进行评估。超快自动举动和ALR用于估计所获得的系统发育型切口的统计可​​信度[36.］．一种问：基因序列搜索是使用BLASTN和BLASTP进行的https://www.ncbi.nlm.nih.gov/．使用ORFfinder程序预测OFR，该程序用于在DNA序列中搜索开放阅读框(orf) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/）.miRNA结合位点通过psRNATarget服务器识别[37.］．

这问：基因序列在Genbank中有用，附加号码：MK101270-MK101302，MK101282-MK101290，MN206102-MN206113，MN604288-MN604290。原始系统发育数据沉积在彩色照片（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.12562148.）.在当前研究中使用和/或分析的数据集可从通信作者在合理要求。

• 2021年1月15日

  这篇文章的修订本已经发表，可以通过原始文章访问。

BIC:

贝叶斯信息准则

ORFS：

开放阅读框架

聚合酶链反应:

聚合酶链反应

RNA:

核糖核酸

单核苷酸多态性:

单核苷酸多态性

UTR：

翻译区

我们感谢A. E. Kuznetsova、S. Thumanyan和S. Koval (SB RAS细胞学和遗传学研究所)协助准备摄影图像。

关于这个补充剂

本文已作为BMC植物生物学卷20的一部分发布，第1,2020卷：来自第五届国际科学会议的选定文章“植物遗传学，基因组学，生物信息学和生物技术”（Plantgen2019）。补充的完整内容可在线提供//www.cinefiend.com/articles/supplements/volume-20-supplement-1．

俄罗斯科学基金会提供了这项工作的资金（授予编号：16-16-10021）。本文的出版是由俄罗斯科学基金资助的（拨款号：16-16-10021）。俄罗斯科学基金会（拨款号：16-16-10021）支持了本研究的设计和数据收集，分析和解释和稿件写作。

从属关系

1. 俄罗斯联邦新西伯利亚大学细胞学和遗传学研究所

   Valeriya Vavilova，Irina Konopatskaia，Alexandr Blinov，Elena Ya。Kondratenko，Yuliya V.Kruchinina＆Nikolay P.GonCharov

贡献

NPG设计了该研究并进行了温室实验。EYK和YVK进行了遗传实验并分析了结果。VV和IK进行了分子研究。VV和AB分析了问：基因序列。IK和VV撰写了手稿。AB和NPG审阅了该手稿。所有作者阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应到Valeriya Vavilova．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版物

不适用。

利益争夺

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

出版商的注意事项

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本文已更新。原始出版物包含错误的历史日期。

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