近日，華中農業大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創新與利用全國重點實驗室陳炯炯副教授課題組在New Phytologist雜志在線發表了“A WOX homolog disrupted by a transposon led to the loss of spines and contributed to the domestication of lettuce”的研究論文。該研究通過正向遺傳學克隆了調控萵苣重要馴化性狀-刺發育的關鍵基因WS1，結合遺傳轉化、RNA-Seq、DAP-Seq等技術，詳細闡述了萵苣刺的發育機制，為野萵苣資源利用及從頭馴化提供了理論依據。
栽培萵苣（Lactuca sativa）由野萵苣（L. serriola）馴化而來，刺的消失是萵苣的重要馴化性狀之一。野萵苣又稱刺萵苣，英文名為prickly lettuce，莖和葉上有尖銳的刺。刺的存在不利于收獲、清洗和食用，影響消費者的感官評價，從而降低消費者購買欲，也限制了對野生種質資源的利用。探究萵苣刺發育的這一重要的馴化性狀、克隆控制基因并揭示其參與的調控網絡，對解析刺的形成機理提供了新見解，為野萵苣資源利用及從頭馴化奠定了理論依據。
本研究發現野萵苣的刺是表皮細胞形成的無腺體及木質化的多細胞尖銳突起；野萵苣的刺有莖和葉脈均有刺、只有葉脈有刺和無刺的三種分布類型，栽培萵苣全植株均表現為無刺。莖和葉脈均有刺的野萵苣中，還存在刺密度的變化。研究以莖葉均有刺的野萵苣與栽培無刺萵苣為親本，構建F2分離群體。作者利用BSA+RNA-seq方法，結合圖位克隆、序列分析以及轉基因功能驗證，發現調控野萵苣刺發育的基因是一個編碼WUSCHEL-related homeobox （WOX）的轉錄因子，將該基因命名為WOX-SPINE 1 （WS1）。栽培萵苣中，WS1基因的第一個外顯子插入一個CACTA的轉座子，使WS1基因喪失功能，導致栽培萵苣無刺。
作者進一步利用BSA+RNA-seq方法結和圖位克隆以及RNAi轉基因功能驗證，發現WS1表達量的差異調控野萵苣刺密度的多態性，表達量的差異是啟動子活性的差異造成的。此外，作者通過轉基因互補實驗驗證了來自CGN04800的WS1等位基因調控葉脈刺而莖無刺的性狀。
作者通過分析轉錄組的差異表達基因，篩選到一個TCP家族的基因LG4347241，是WS1調控的下游靶基因，其突變體的刺突消失、刺變軟不易斷裂、形態畸形，與野萵苣堅硬的刺形成鮮明對比。
WS1在萵苣馴化過程中受到了明顯的選擇。WS1和水稻中調控表皮毛發育的OsWOX3B可能都繼承了來自共同祖先調控毛狀體發育的保守功能。萵苣中3個WS1的同源基因在萵苣屬和菊苣屬分化后發生了復制，但只有WS1是唯一調控萵苣刺發育的基因，類似于水稻中OsWOX3和OsWOX3B的進化模式。
刺的丟失是萵苣馴化的重要事件之一。該研究通過對刺發育調控基因的遺傳克隆，為萵苣馴化研究提供了遺傳證據，為野生資源在萵苣育種中的有效利用奠定了基礎并豐富了植物刺發育的調控機制。
華中農業大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創新與利用全國重點實驗室博士研究生孫培楠為該論文第一作者，陳炯炯副教授為通訊作者。華中農業大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創新與利用全國重點實驗室匡漢暉教授、王昕研究員參與了該工作。華中農業大學園藝林學學院碩士研究生李維波，博士研究生博士研究生吳智浩，已畢業碩士研究生袁煥然、潘江鵬也參與了該工作。本研究獲得國家自然科學基金 （31830079、32372719） 的資助。
論文鏈接：http://doi.org/10.1111/nph.19738
日期：2024-05-04
栽培萵苣（Lactuca sativa）由野萵苣（L. serriola）馴化而來，刺的消失是萵苣的重要馴化性狀之一。野萵苣又稱刺萵苣，英文名為prickly lettuce，莖和葉上有尖銳的刺。刺的存在不利于收獲、清洗和食用，影響消費者的感官評價，從而降低消費者購買欲，也限制了對野生種質資源的利用。探究萵苣刺發育的這一重要的馴化性狀、克隆控制基因并揭示其參與的調控網絡，對解析刺的形成機理提供了新見解，為野萵苣資源利用及從頭馴化奠定了理論依據。
本研究發現野萵苣的刺是表皮細胞形成的無腺體及木質化的多細胞尖銳突起；野萵苣的刺有莖和葉脈均有刺、只有葉脈有刺和無刺的三種分布類型，栽培萵苣全植株均表現為無刺。莖和葉脈均有刺的野萵苣中，還存在刺密度的變化。研究以莖葉均有刺的野萵苣與栽培無刺萵苣為親本，構建F2分離群體。作者利用BSA+RNA-seq方法，結合圖位克隆、序列分析以及轉基因功能驗證，發現調控野萵苣刺發育的基因是一個編碼WUSCHEL-related homeobox （WOX）的轉錄因子，將該基因命名為WOX-SPINE 1 （WS1）。栽培萵苣中，WS1基因的第一個外顯子插入一個CACTA的轉座子，使WS1基因喪失功能，導致栽培萵苣無刺。
作者進一步利用BSA+RNA-seq方法結和圖位克隆以及RNAi轉基因功能驗證，發現WS1表達量的差異調控野萵苣刺密度的多態性，表達量的差異是啟動子活性的差異造成的。此外，作者通過轉基因互補實驗驗證了來自CGN04800的WS1等位基因調控葉脈刺而莖無刺的性狀。
作者通過分析轉錄組的差異表達基因，篩選到一個TCP家族的基因LG4347241，是WS1調控的下游靶基因，其突變體的刺突消失、刺變軟不易斷裂、形態畸形，與野萵苣堅硬的刺形成鮮明對比。
WS1在萵苣馴化過程中受到了明顯的選擇。WS1和水稻中調控表皮毛發育的OsWOX3B可能都繼承了來自共同祖先調控毛狀體發育的保守功能。萵苣中3個WS1的同源基因在萵苣屬和菊苣屬分化后發生了復制，但只有WS1是唯一調控萵苣刺發育的基因，類似于水稻中OsWOX3和OsWOX3B的進化模式。
刺的丟失是萵苣馴化的重要事件之一。該研究通過對刺發育調控基因的遺傳克隆，為萵苣馴化研究提供了遺傳證據，為野生資源在萵苣育種中的有效利用奠定了基礎并豐富了植物刺發育的調控機制。
華中農業大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創新與利用全國重點實驗室博士研究生孫培楠為該論文第一作者，陳炯炯副教授為通訊作者。華中農業大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創新與利用全國重點實驗室匡漢暉教授、王昕研究員參與了該工作。華中農業大學園藝林學學院碩士研究生李維波，博士研究生博士研究生吳智浩，已畢業碩士研究生袁煥然、潘江鵬也參與了該工作。本研究獲得國家自然科學基金 （31830079、32372719） 的資助。
論文鏈接：http://doi.org/10.1111/nph.19738
日期：2024-05-04
