5'UTR中缺失一段,可让葫芦科作物长得更紧凑
2022/12/23 10:50:19 阅读:3469 发布者:
大多数葫芦科瓜类作物的长藤和拖曳的藤蔓代表了一种未驯化的性状,阻碍了密集的种植和产量,并且还产生了高昂的劳动力成本。建立了有针对性的人工进化策略,以剂量依赖性方式抑制葫芦科瓜类作物茎伸长,从而提高产量并降低劳动力成本。
2022年12月13日, 中国农业科学院蔬菜花卉研究所(以下简称蔬菜所)、深圳农业基因组所、西北农林科技大学、北京市农林科学院蔬菜研究所等4家合作单位在Nature Plants杂志上发表了题为“Architecture design of cucurbit crops for enhanced productivity by a natural allele”的研究论文。该研究针对葫芦科瓜类作物遗传基础狭窄、难以获得紧凑株型的问题,提出了一种定向进化策略——通过筛选近缘种中具有育种价值的显性矮生稀有变异,针对性地在其他多种瓜类作物中人工产生新的变异,创造出原本自然界不存在的紧凑株型连续体,将可大大提高葫芦科瓜类作物的生产效率,显著节省劳动力的投入。
黄瓜、丝瓜、南瓜、西瓜、甜瓜等葫芦科作物为人类饮食提供营养美味的蔬菜和肉质水果。根据联合国粮食及农业组织的数据,在过去50年中,全球葫芦产量增加了五倍多 - 这一增长主要归因于种植面积的扩大,因为每单位面积的产量在过去十年中仅增加了10%。大多数葫芦科作物藤蔓的节间细长意味着这些植物需要较大的种植面积并产生高昂的劳动力成本。因此,紧凑育种是提高葫芦科作物产量的有效策略。
该研究筛选了8,628种葫芦作物种质,并确定了5种具有紧凑生长习性的种质。其中,只有南瓜(葫芦)加入SXHD82表现出茎长抑制但未受影响的坐果。研究表明,SXHD82植物的紧凑外观是由较小的分生组织和减少的细胞分裂引起的。然后进行全基因组重测序和图位克隆发现YABBY1转录因子基因的5′UTR中的76碱基对缺失是突变。多个证据(包括逆转录定量PCR、β-葡糖醛酸酶(GUS)染色和翻译活性测定)表明,突变的b区域会增加蛋白质翻译,但不会增加基因转录。
与野生型南瓜相比,使用CRISPR-Cas9靶向敲除B区导致茎更短。此外,YABBY1蛋白水平与茎长呈负相关。因此,B区以剂量依赖性方式负控制茎长。鉴于葫芦中B区的系统发育保守性,该研究还突变了其他葫芦科物种的B区。黄瓜和西瓜的敲除植株均表现出茎长抑制和叶簇,YABBY1的蛋白质水平也始终与茎长呈负相关。
通过操纵B区来调整茎长似乎是微调和优化葫芦作物植物结构的一种有前途的策略。CRISPR编辑的B区强烈突变的南瓜植株在高密度生长时表现出浓密的结构和更高的产量。携带弱CRISPR突变的垂直生长的黄瓜植株大大降低了劳动力成本,而不会降低产量。因此,通过针对 B 区域自定义架构是增加葫芦产量的有效方法。
图1:通过定制葫芦茎长度进行结构优化。
综上所述,该研究建立了创新且有前途的策略来定制葫芦科作物的茎长。在优势B区开发人工数量性状位点将使快速驯化长藤和尾随藤成为可能。这项研究代表了葫芦科育种向前迈出的重要一步,并可能激发对葫芦科以外更多作物植物结构工程的研究。
转自:“iPlants”微信公众号
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