【The Plant Cell】结球还是开花？华中农业大学&湖北洪山实验室匡汉晖研究团队再探生菜结球的奥秘

生菜作为菊科一族，虽然没有菊花那样多彩，但仅凭这一抹翠绿，便引无数馋鬼竞折腰O(∩_∩)O。好吃的生菜结球，懂事的生菜开花，二者两难全，结球生菜约占整个生菜产量和消费的50%，是重要的经济作物。结球除了受到多基因控制之外，更容易受到环境影响，导致结球性状的遗传研究长期停滞不前。

2022年8月2日，The Plant Cell在线发表了华中农业大学&洪山实验室匡汉晖教授研究团队题为“Loss-of-function of SAWTOOTH 1 affects leaf dorsiventrality genes to promote leafy heads in lettuce”的研究论文。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（图1）。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。

那么LsSAW1是如何调控生菜结球发育的呢?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（图3）。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。

ACKNOWLEDGMENTS

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。感谢Elizabeth Georgian与康春颖教授对文章提出的建议，本研究得到了国家自然科学基金（#31830079 and 31572131）的资助。

原文链接

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac234/6653310

转自：植物科学SCI

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