近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室匡漢暉教授課題組在PNAS雜志上發(fā)表題為“Upregulationof a KN1 homolog by transposon insertion promotes leafy head development inlettuce”的研究論文。該論文首次報道了生菜中控制結(jié)球性狀基因LsKN1的克隆，并在分子水平上闡述了LsKN1調(diào)控生菜結(jié)球的作用機制。
生菜結(jié)球性研究中取得新進展
萵苣屬于菊科，起源于地中海地區(qū)，由野生萵苣Lactuca serriola馴化而來，是非常重要的蔬菜之一。萵苣的主要栽培類型包括葉用的結(jié)球生菜和莖用的萵筍。盡管不同栽培類型的萵苣之間形態(tài)差異較大，但其分化時間較短、不同類型之間雜種可育，是研究植物形態(tài)發(fā)生及進化的優(yōu)良材料。
植株結(jié)球是部分葉用蔬菜特有的表型，主要見于十字花科的甘藍、白菜、孢子甘藍，以及菊科中的生菜及菊苣。這些蔬菜葉片由外向內(nèi)彎曲、層層包裹，最終形成一個由葉片構(gòu)成的球狀結(jié)構(gòu)，稱之為葉球。結(jié)球性具有許多優(yōu)點，如脆嫩的質(zhì)地、長貨架期、便于機械化收割等。葉球是多基因控制的數(shù)量性狀，且容易受環(huán)境影響，進而造成其遺傳研究困難，至今未成功克隆葉球形成的遺傳調(diào)控基因。
本研究對結(jié)球生菜與不結(jié)球生菜雜交的F2群體進行遺傳分析，通過圖位克隆的方法獲得了一個控制生菜結(jié)球的主效QTL。該基因編碼一個與玉米KN1同源的基因，LsKN1。轉(zhuǎn)基因互補實驗和敲除實驗驗證了該基因?qū)Y(jié)球的調(diào)控作用。在結(jié)球生菜中，該基因的第一個外顯子中插入了一個CACTA轉(zhuǎn)座子。研究發(fā)現(xiàn)，CACTA轉(zhuǎn)座子的插入并未敲除LsKN1基因的功能。相反，轉(zhuǎn)座子插入后LsKN1基因的表達量顯著上調(diào)。啟動子活性實驗證明，該CACTA轉(zhuǎn)座子本身具有啟動子活性。
擬南芥中KN1基因的同源基因為STM（Shoot Meristemless），該基因主要在分生組織處表達，其功能為維持分生組織干細胞的特性，抑制干細胞的過早分化。對萵苣和向日葵基因組分析發(fā)現(xiàn)，KN1基因在菊科中發(fā)生了一次復(fù)制。萵苣中的LsKN1基因的表達模式和功能發(fā)生了明顯分化，在葉中有較高的表達。該基因受CACTA轉(zhuǎn)座子上調(diào)表達后，結(jié)球生菜葉片近遠軸細胞相似，背腹性分化減弱。ChIP-seq，EMSA和Y1H實驗均表明，LsKN1蛋白結(jié)合LsAS1基因的啟動子并抑制其表達。LsAS1的抑制表達使葉片背腹性減弱，進而形成葉球。在結(jié)球生菜中超量表達LsAS1導(dǎo)致葉片向外翻轉(zhuǎn)，從而驗證了抑制LsAS1基因的表達是生菜結(jié)球性狀形成的關(guān)鍵。
CACTA轉(zhuǎn)座子插入到LsKN1基因的第一個外顯子中引起生菜結(jié)球的表型
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院博士后余長春及博士畢業(yè)生嚴承歡為論文的共同第一作者，匡漢暉教授為論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
論文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/12/01/2019698117
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