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我院在莴苣叶色的遗传机理研究中取得新进展
时间:2021-11-02

2021年11月02日,狼窝2021地址一地址二园艺植物生物学教育部重点实验室在The Plant Journal在线发表了题为“Alternative splicing triggered by the insertion of a CACTA transposon attenuates LsGLK and leads to the development of pale-green leaves in lettuce”的研究论文,该论文通过正向遗传学的方法克隆了控制莴苣叶色变异的基因LsGLK,并发现其下游CACTA转座子插入导致的可变剪接是形成莴苣叶浅绿色性状的遗传基础。

莴苣是世界上重要的蔬菜作物之一。莴苣群体内具有丰富的叶色变异,主要是由花青素和光合色素的含量和比值不同造成的;然而,莴苣叶色由多个位点调控,其变异的遗传分子机理尚不清楚。课题组之前系统阐明了莴苣花青素积累的遗传机理,并将研究成果发表在Nature Communications(Zhang et al., 2017)和Plant Biotechnology Journal(Su et al., 2019)杂志上。在该论文中,课题组解析了莴苣叶片中光合色素含量变异的遗传基础。

在本研究中,课题组利用134份包含野生(Lactuca serriola)和栽培莴苣(Lactuca sativa)材料的多样性群体,对叶片的光合色素含量进行测定,确定了莴苣群体中不同栽培类型间光合色素含量的变异特征。与野生莴苣相比,栽培莴苣的光合色素含量显著降低;在各栽培类型中,油用莴苣的光合色素含量最高,散叶生菜的光合色素含量最低;表明莴苣在驯化和改良分化过程中伴随着光合色素含量的变异。

通过全基因组关联分析,该研究鉴定到一个与光合色素(叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素以及总光合色素)含量变异显著相关的主效QTL;进一步通过构建双亲群体,利用BSR-Seq和图位克隆的策略,将此位点精细定位到4号染色体5,375 bp区段内,并获得了一个编码GARP类型转录因子的基因LsGLK。转基因互补验证了该基因对光合色素含量的调控作用。在浅绿植株中,该基因终止密码子后10 bp处插入了一个长度为7,434 bp的CACTA类转座子,在转座子后又有第3-6四个外显子的复制;此外,CACTA类转座子的插入导致LsGLK基因发生可变剪接,大部分转录本丢失了第六个外显子,只有6%的转录本未改变编码区并可翻译为功能蛋白。与深绿植株相比,浅绿植株中转座子的插入没有改变GLK基因的表达量;然而,由于可变剪接,产生了大量的非功能性转录本,相当于敲低了LsGLK基因的表达,导致植株叶浅绿色性状。

进一步利用转座子的插入开发分子标记并重新进行关联分析。结果发现,该转座子的插入能够解释莴苣自然群体不同类型光合色素含量20.9%-33.2%的表型变异;表明该位点是导致莴苣自然群体中叶绿色深浅变异的主效位点。最后,进化分析表明转座子的插入发生在莴苣驯化过程中,在莴苣分化为各个栽培类型的过程中,GLK的不同基因型被人们选择并在各栽培类型中固定下来。

该研究利用关联分析和连锁分析相结合的策略,成功克隆了控制莴苣叶绿色深浅变异的基因,阐明了莴苣光合色素含量变异的遗传机理,发现了转座子对植物丰富的表型变异具有重要贡献,研究结果为莴苣叶色的选育提供了方法指导和理论依据。

园艺植物生物学教育部重点实验室博士毕业生张磊(现工作单位:江苏师范大学)为论文第一作者,陈炯炯副教授为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

利用连锁分析克隆LsGLK基因

CACTA转座子插入LsGLK基因并导致可变剪接


论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.15563



作者:张   磊

审核:陈炯炯

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