再探生菜结球的奥秘
8月2日，华中农业大学匡汉晖教授研究团队以“Loss-of-function of SAWTOOTH 1 affects leaf dorsiventrality genes to promote leafy heads in lettuce”为题在The Plant Cell上发表了研究论文。该研究克隆了控制生菜结球的新基因LsSAW1，发现其可以下调近轴基因和上调远轴基因以促进生菜结球发育。
课题组前期已克隆了首个控制生菜结球的基因LsKN1（Lactuca sativa KNOTTED 1），其上调表达会促进叶球发育，但仅有LsKN1是不够的。在前期研究基础上，作者成功构建了一个结球与不结球表型分离的F5群体，且在该群体中，结球是隐性性状，结球个体近轴部分的细胞排列紊乱。利用BSA与RNA-seq分析，作者发现该群体中结球性状是由LHL1位点独立控制的，经过图位克隆与序列分析，作者发现LHL1位点中LG4_402589外显子上存在一个碱基的缺失，导致无法翻译出完整的蛋白，该基因与拟南芥SAW1同源，命名为LsSAW1。经过反向遗传学验证，作者证实了LHL1位点就是LsSAW1，其功能缺失（Lssaw1）对生菜结球的发育起到关键作用。
关于LsSAW1如何调控生菜结球发育，作者通过原位杂交发现LsSAW1主要在不结球植株叶片的近轴部表达，但在结球植株叶片的任何部位都检测不到它的表达，作者推测这种低表达可能由启动子的SNP引起，也可能是由外显子的突变引起。通过RNA-seq作者发现参与叶背腹极性有关，于是作者进一步分离了叶片近轴与远轴细胞进行RNA-seq，发现生长素信号与生长控制相关基因在在Lssaw1植株的DEGs中显著富集。进一步分析近轴与远轴部的差异基因发现，Lssaw1下调了近轴基因，上调了远轴基因，从而促进了生菜叶球的发育。
为了证实Lssaw1通过调节近轴与远轴基因促进叶球发育的假说，作者选择了一个近轴基因LsAS1进行进一步分析，发现LsAS1主要在不结球植株叶片的近轴部表达，而Lssaw1突变体中表达量显著下降。通过CHIP-seq，酵母单杂以及EMSA实验均证实了LsSAW1与LsAS1的启动子结合，Lssaw1下调LaAS1的表达，遗传实验也表明LaAS1下调会促进叶球发育，上调则会抑制叶球发育。作者对远轴面基因LsYAB1进行类似的实验发现，在Lssaw1突变体中LsYAB1的抑制作用减弱，有助于叶球发育。
作者希望通过酵母筛库来找到与LsSAW1一起调控叶片背腹性的蛋白，结果发现LsSAW1与之前研究的LsKN1存在互作，进一步研究发现，LsSAW1与LsKN1在叶球发育中的作用是相互拮抗的。例如LsSAW1可以直接与LsAS1启动子结合并上调其表达，同时减弱LsKN1对LsAS1的抑制作用，再次证实了Lssaw1可以直接和间接下调LsAS1的表达促进叶球发育。此外LsSAW1的同源基因LsSAW2在Lssaw1背景下过表达同样可以导致生菜不结球，但是一般情况下由于LsSAW2表达水平过低，导致其无法发挥冗余作用。
作者对488份生菜野生祖先进行重测序发现，竟然没有一份材料在Lssaw1中有一个碱基的缺失，但在21个现代品种中出现了这种突变，表明Lssaw1突变是人类驯化（好吃）的结果。体现出该突变对生菜育种以及叶球发育的重要性。
华中农业大学安光辉博士为论文第一作者，加州大学戴维斯分校Dean Lavelle与Richard W. Michelmore也参与该项研究，Elizabeth Georgian与康春颖教授对文章提出宝贵建议。
论文链接：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac234/6653310
揭示玉米单向杂交不亲和的奥秘
玉米是我国种植面积最广的农作物之一，也是天然的异花授粉作物，异交率非常高。然而，在玉米中仍然存在着一种特殊单向杂交不亲和现象 (Unilateral cross incompatibility, UCI)，其中，以位于玉米4号染色体短臂上的Ga1位点所控制的杂交不亲和效应最大，大家最为关注。
8月3日，Nature Communications在线发表了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和洪山实验室玉米团队题为“Three types of genes underlying the Gametophyte factor1 locus cause unilateral cross incompatibility in maize”的研究论文，该研究发现在Ga1位点包含三类，共7个决定玉米单向杂交不亲和表型的基因，提出了一个新的解释UCI成因的三基因遗传模型，该结果不但对理解物种的生殖隔离这一重大基础科学问题有理论意义，也为作物的遗传改良尤其是杂交制种有应用价值。
由Ga1位点控制的UCI现象发生在马齿类玉米 (ga1) 以及爆裂玉米 (Ga1-S)之间，表现为马齿类玉米不能作为父本向爆裂玉米的雌穗授粉，反交或二者的自交都可以正常授粉结实。除此之外，自然界中还存在一种广亲和型玉米(Ga1-M), 不论作为父本或是母本，都可以和马齿类玉米及爆裂玉米正常杂交结实。玉米中的UCI现象早在1902年就被观察到，全世界多个实验室的研究人员努力多年试图解析Ga1位点的遗传机制。普遍认为在Ga1位点存在决定花粉与雌穗亲和性的雌、雄两种因子，也即双因子模型。2018年中科院遗传与发育所陈化榜研究团队成功克隆了Ga1位点的雄性决定因子ZmGa1P（Zhang et al, Nat Commun, 2018）。然而，不知什么原因，Ga1位点的定位区间大小始终保持在2Mb左右，无法进一步精细定位，深入解析该位点。
为解决这一难题，严建兵教授团队构建了以SK (Ga1-S)和Zheng58 (ga1)为亲本的分离群体，并创造性地把后代基因型偏分离程度作为表型，简化了定位工作的难度，在Ga1定位区段内鉴定到了两个可以同时影响偏分离的区段 (Component1, Component2)。借助高质量组装的SK与B73 (ga1) 基因组，从比较基因组学的角度出发，完整揭示了Ga1位点在Ga1-S与ga1基因组间的变异，比对结果显示在一段约1.7Mb的区间内，二个基因组几乎不存在序列的共线性，这也解释了之前多个课题组无法精细定位的原因。
利用转录组以及群体基因组重测序的数据，研究人员在目标区间内鉴定到三类共七个可能决定不亲和表型的基因，分别为五个在Ga1-S与Ga1-M花粉中高表达的果胶甲酯酶 (PME) 基因 (ZmGa1Ps-m)，一个只在Ga1-S花丝中表达完整转录本的PME基因ZmPME3，以及一个在ga1与Ga1-M花丝中高表达而在Ga1-S完全缺失的基因ZmPRP3。
利用转基因实验对每个基因的功能分别进行了验证。结果表明，ZmPME3对不携带ZmGa1Ps-m的花粉管具有强烈的抑制作用，却不会抑制携带ZmGa1Ps-m的花粉管的延伸。另外，在ZmPME3表达量相对较低时，ZmPRP3可以帮助不携带ZmGa1Ps-m的花粉管打破ZmPME3的抑制作用。从遗传关系来看，三类基因之间理论上可以产生8种不同的基因型组合，但实际上，在现有的栽培玉米群体中只观察到了其中的三种，通过转基因方法，研究人员创造出了另外三种不存在于自然界中的材料，并且经过杂交实验，总结出了所有雌，雄配子结合后的育性，其中，不携带ZmGa1Ps-m的花粉很难与携带ZmPME3并且不表达ZmPRP3的雌穗杂交结实，这一点在将来可以成为制造玉米制种的生物屏障提供了理论依据。值得一提的是，虽然ZmPME3与ZmRPR3都在花丝中表达，然而，通过免疫组化以及差异表达分析，研究人员发现二者处在完全独立的调控途径上，这意味着多种分子机制参与了对UCI表型的调控，三类基因之间也许只存在遗传关系，而并不存在互作与上下游关系。
研究人员借助中国古代神话故事《封神榜》中的人物关系，形象地展示了三类基因之间地关系。哪吒代表ZmGa1Ps-m，拥有最强的武力值，可以破除一切障碍。ZmPME3的角色则是哼哈二将，阻止花粉管的前进。雷震子代表ZmPRP3, 武力值不如哪吒，并非最高级的战神，但在ZmPME3表达量较低时 (比如哼哈二将只来了一个），也能够帮助花粉管突破障碍。
进一步，利用实验室拥有的大量野生玉米，农家种和现代栽培玉米的基因组数据， 推测了Ga1位点的演化路径。玉米的野生祖先种在Ga1位点可能存在两种完全不同的单倍型，一种被选择变成今天的普通玉米类型（ga1）；而另外一种单倍型通过丧失PME3基因的功能，变成今天广亲和玉米类型（Ga1-M）；或者通过丢失ZmPRP3基因演变为今天的爆裂玉米类型（Ga1-S）。Ga1位点为重新理解玉米的起源进化提供了不同的视角。
华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和洪山实验室严建兵教授为该论文通讯作者。华中农业大学博士研究生王跃斌、博士后李文强为该论文的共同第一作者。德国雷根斯堡大学Thomas Dresselhaus教授、德国马普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授、美国农业部Marilyn L. Warburton博士、华中农业大学肖英杰教授、杨宁教授、郭婷婷教授、已毕业硕士研究生王露茜和卢刚、博士研究生严佳丽和许洁婷以及博士后陈庚申、桂松涛等都参与了该项工作。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32180-9
在解决玉米南方锈病问题中取得新进展
07月29日，华中农大玉米团队在Nature Communications发表题为“Cloning southern corn rust resistant gene RppK and its cognate gene AvrRppK from Puccinia polysora”的研究论文。该研究成功克隆了广谱持久抗玉米南方锈病基因RppK。感病条件下，该基因能显著提高玉米对南方锈病的抗性，并增加产量11.9%-17.1%；而正常条件下，该基因对产量没有影响。
南方锈病是当下黄淮海玉米产区重要病害之一，而玉米南方锈病（Southern corn rust，SCR）是由活体营养型真菌Puccinia polysora引起的世界性重要玉米病害。该病害可引起玉米减产20%-30%，严重时减产50%以上。最近几年，玉米南方锈病在黄淮海夏玉米区和南方玉米种植区呈现大面积流行趋势，全国年发病面积在500万公顷以上，严重危害我国玉米的产量和品质。控制该病害最经济有效的方法是挖掘和利用抗病基因进行抗病品种选育。
华中农大玉米团队鉴定到一个广谱抗病基因RppK及其效应因子AvrRppK，并解析了其抗病机制。通过克隆RppK对应的南方锈病菌效应分子AvrRppK，发现该效应蛋白在南方锈病菌的所有分离菌株中都存在且100%保守，进一步揭示了RppK基因广谱抗玉米南方锈病的分子机制。该基因具有重要的育种应用价值，改良的抗病品种已于2019年开始推广应用，目前还在为国内多家种业公司的10多个玉米骨干自交系进行抗病改良工作。
玉米研究团队于2011年在500多份自然变异群体中筛选到广谱持久的抗南方锈病自交系材料K22。后续利用遗传连锁群体，在玉米第10号染色体短臂上鉴定到抗南方锈病主效位点，并采用图位克隆方法成功分离到一个NLR家族的抗病基因RppK。遗传互补实验表明，RppK基因不仅能够赋予玉米对南方锈病菌多个生理小种的广谱高抗表型。进一步分析发现，该基因是通过基因组不对称交换产生的一个新基因，对500多份具有代表性的自交系分析发现，仅有不到3%的材料的基因组含有该基因，而绝大部分玉米育种材料基因组不存在这个基因。把该基因导入到不同的玉米遗传背景材料中均能显著提高对南方锈病的抗性，有重要的育种应用价值。
研究团队与北京农林科学院赵久然研究员团队合作，对大面积推广的玉米杂交种“京科968”的亲本进行抗病的分子标记辅助选择，组配出抗南方锈病的改良品种。多年多点的田间小区试验，研究团队发现在南方锈病发病的试验点，改良品种的抗病性显著高于“京科968”，产量比京科968增加11.9%-17.1%。同时，在南方锈病不发生的试验点，改良品种与京科968在产量和重要农艺性状上均没有显著差异。
研究团队采用分子辅助育种和转基因育种策略，进一步改良了8个正在生产应用的玉米杂交种，田间试验均获得类似的结论，在南方锈病发病条件下，RppK基因能显著增强玉米抗病性同时提高产量；在不发病条件下，该基因的导入对产量和重要农艺性状没有负面影响。由此，证实RppK基因对玉米抗南方锈病的遗传改良具有巨大的应用价值。应国内多家种业公司的要求，目前正对他们的核心材料进行抗病改良工作。
为了进一步探究RppK广谱抗南方锈病的分子机制，该研究团队结合大规模原生质体筛选、烟草瞬时表达和AvrRppK蛋白注射实验从南方锈病病原菌P. polysora中克隆到RppK识别的效应因子AvrRppK。测序分析发现，AvrRppK基因在所有的分离菌株（来源于海南、广西、湖北等玉米种植区）中都存在，且其DNA序列100%保守。此外，在玉米中表达AvrRppK基因能够有效抑制几丁质激活的PTI反应并提高玉米对南方锈病的感病性。由此证实，AvrRppK蛋白是P. polysora的核心效应因子。鉴于RppK基因广谱持久的发挥南方锈病抗性和AvrRppK基因的核心效应蛋白特性，本研究证实了利用识别核心效应子的单个NLR基因足以赋予作物对特定病原菌的广谱抗病性。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室的赖志兵教授和严建兵教授为该论文的共同通讯作者。博士后陈庚申、张报，已毕业博士生王宏泽，河南农业大学丁俊强教授为该论文的共同第一作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32026-4
动物克隆与干细胞研究团队揭示H3K4me3和H3K27me3调控猪早期胚胎发育新机制
近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院苗义良教授动物克隆与干细胞研究团队研究成果以“Coordination of zygotic genome activation entry and exit by H3K4me3 and H3K27me3 in porcine early embryos”在Genome Research发表。研究全面揭示了H3K4me3和H3K27me3在猪卵母细胞和受精胚胎发育过程中的动态分布规律，并首次证实了H3K4me3和H3K27me3参与调控猪受精胚胎合子基因组激活（ZGA）发生和退出的机制。
ZGA是动物早期胚胎发育过程中的核心事件，是实现母源-合子转换的关键，且不同物种ZGA的发生时期也有所不同。先前的研究已发现多个基因调控该事件的发生，而组蛋白修饰在该过程中同样发挥了重要的作用。
研究人员首先发现猪卵母细胞中的H3K4me3在ZGA基因启动子处呈现窄峰，受精后转变为宽峰，4细胞期后又转变为窄峰。在受精卵中同时敲低KDM5B和KDM5C（H3K4去甲基化酶基因）可在ZGA基因启动子上维持H3K4me3的宽峰分布，使ZGA基因无法激活表达，这说明H3K4me3在4细胞期的峰型转换调控着ZGA发生。
其次，研究人员还发现桑椹胚期重新建立的H3K27me3也会在ZGA基因启动子处富集，并与H3K4me3形成二元共价修饰。通过在胚胎培养液中添加GSK126（EZH2抑制剂）阻断H3K27me3的重建，发现ZGA基因在囊胚期的表达异常升高，这说明H3K4me3/H3K27me3共价状态在后期的建立有利于ZGA的退出。
最后，该团队还分析了猪体细胞克隆胚胎中H3K4me3和H3K27me3的分布情况，发现相比于受精胚胎，两种修饰在克隆胚胎4细胞期均存在严重的异常富集，而在囊胚期的富集差异较小，表明ZGA阶段组蛋白修饰的异常重编程仍是影响猪克隆胚胎发育的关键因素。
华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院苗义良教授为论文的通讯作者，布国伟博士生、祝为博士后和刘鑫副研究员为论文的共同第一作者。
论文链接：
https://genome.cshlp.org/content/early/2022/07/22/gr.276207.121
来源：华中农业大学
转自：iPlants
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