PBJ | 南京农大吴俊团队发现一个基因遗传变异调控梨红色和矮化两个性状的新机制

我国是世界第一大梨生产国，栽培面积和产量均约占全球的70%。同时，作为梨的起源地，我国具有丰富的梨品种资源和地理分布。众所周知，红色的果实通常富含花青苷组分，不仅有利于外观品质提升，其营养成分对人体健康十分有益，深受消费者喜爱。但是，与西洋梨相比，包括我国在内的亚洲梨中红皮梨资源稀少，特别是不受环境因素影响的、能稳定着色的优质红皮梨极其匮乏。此外，矮化也是现代果树栽培的发展趋势，不仅可以实现高密度种植，还有利于降低劳动投入和生产成本。目前，西洋梨已经利用榅桲作为砧木实现了矮化栽培，但遗憾的是，亚洲梨与榅桲的嫁接亲和性差，矮化栽培问题仍难以有效解决。目前，国际上对红皮梨的着色机制已有一定的解析，但对梨矮化性状的调控机制还知之甚少，尤其是果实色泽与植株矮化性状的遗传连锁机制尚未有报道。

近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了南京农业大学吴俊教授研究团队题为Allelic variation of BBX24 is a dominant determinant controlling red coloration and dwarfism in pear的论文，该研究揭示了PyBBX24等位变异同时调控梨的色泽和矮化性状分子遗传机制，不仅为两个性状的遗传改良提供了优异基因资源，也为分子辅助和精准育种提供了靶标位点。

该研究发现‘红早酥’梨F1分离群体表现出红色性状和矮化性状连锁的现象，且分离比为1：1，表明了红色性状和矮化性状是由单个基因控制的显性性状。综合集群分离分析（BSA）、遗传图谱定位（QTL）、基因组重测序和转录组数据鉴定到一个14-bp缺失，该缺失引起B-Box家族PyBBX24基因的移码突变，丢失了C-端的NLS和VP元件，其等位突变基因为PyBBX24DN14。在愈伤组织中稳定过表达PyBBX24DN14和CRISPR/Cas9基因编辑系统敲除PyBBX24均能够诱导愈伤组织花青苷的生物合成。同时，在‘早酥’梨和‘Yellow Wonder’草莓果实中瞬时过表达PyBBX24DN14也产生了大量花青苷和着色。进一步，通过双荧光素酶试验、Y2H、BiFC、EMSA和ChIP-qPCR试验证明，PyBBX24DN14能够激活PyUFGT和PyMYB10的转录，并与PyHY5相互作用形成一个异源二聚体调控梨花青苷的生物合成。

图1  梨果实色泽和矮化性状的F1代杂交群体分离

同时，在拟南芥、烟草和番茄中稳定过表达PyBBX24DN14，能够诱导植株矮化。梨F1红矮型植株和转基因PyBBX24DN14烟草矮化表型均能够通过外源喷施GA3得到恢复；GA含量分析表明，梨F1红矮型植株和转基因PyBBX24DN14烟草中活性GA的含量分别显著低于对照植株，表明植株矮化性状是由于活性GA含量较低导致的。通过双荧光素酶试验、EMSA和ChIP-qPCR试验证明，PyBBX24DN14能够通过直接结合PyGA2ox8启动子激活其表达。

此外，通过对亚洲梨的红色品种资源和西洋梨的芽变材料鉴定，发现了西洋的多组红色芽变材料存在PyBBX24 14bp缺失和单碱基突变，并且通过分子生物学试验验证了PyBBX24C544T是控制‘红巴梨’果皮色泽变异的关键因子。但是，在亚洲梨的绿皮梨和其他红色资源中均没有发现PyBBX24的序列变异，说明其存在不同的着色调控机制。

基于以上研究，提出了PyBBX24基因变异调控梨着色和植株矮化的作用模型。PyBBX24变异导致NLS和VP元件缺失，解除了其抑制花青苷合成的功能，PyBBX24DN14能够单独或通过与PyHY5互作，激活PyUFGT和PyMYB10的表达，从而促进花青苷生物合成。同时，PyBBX24DN14能够直接结合PyGA2ox8的启动子增强其转录，导致生物活性GA水平降低，从而引起植株矮化。

图2  PyBBX24DN14调控梨的花青苷生物合成和矮化作用机制

该研究以南京农业大学园艺学院在读博士生杨广艳和孙满意为第一作者，南京农业大学吴俊教授和新西兰皇家植物与食品研究院Kui Lin-Wang为通讯作者。新西兰皇家植物与食品研究院Richard V. Espley、Andrew C. Allan、Lester Brewer等合作者参与了研究工作，南京农业大学李甲明博士，博士后汪润泽，博士生刘月园、徐少卓、秦梦帆，硕士生汤子凯、盛佳雯、常文静，以及山东农业大学薛程副教授参与了该项目的研究。感谢国家自然科学基金重点国际合作项目、国家重点研发项目、国家梨产业技术体系和江苏省梨自主创新等项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14280

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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