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      植物所揭示茄科譜系特異性招募POS1類基因調控果實大小的進化機制

      2022-06-17 植物研究所
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        茄科是經濟價值最大的植物類群之一,也是研究漿果進化的重要代表性類群。果實大小是受多基因控制的數量性狀,由細胞數目和細胞大小的變化共同決定。發現調控果實大小變異的基因并揭示招募它們的機制是果實進化發育生物學研究重點關注的問題。

        中國科學院植物研究所賀超英研究團隊前期工作發現茄科特有單拷貝基因Physalis organ size 1/cytokinin response factor 3(POS1/CRF3)的第一內含子中一個37-bp序列重復的拷貝數變異負調控該基因的表達量,而其表達量變異與酸漿屬漿果大小的自然變異呈正相關。近日,研究人員通過基因編輯、過表達等多種遺傳操作,發現酸漿族(Physaleae)中毛酸漿POS1與其在辣椒中的直系同源基因(CaPOS1)可正向調控細胞大小和果實大小,而非酸漿族(如煙草屬和茄屬)的POS1直系同源基因不具備這一功能。進一步分析發現,POS1直系同源基因編碼蛋白的第68位氨基酸在非酸漿族中為組氨酸,在酸漿族中則是精氨酸,這一轉變是由譜系特異的單核苷酸多態性引起的。通過定點突變利用組氨酸替代POS1和CaPOS1中第68位的精氨酸則完全消除了它們調控果實大小的功能,同時使它們失去與鈣網蛋白-3(CRT3)等一系列蛋白的互作(PPIs)。

        直系同源基因的功能通常被認為是保守的,但是茄科POS1直系同源基因在關系密切的屬間發生了明顯的功能分化。酸漿族中POS1直系同源基因被征召來行使控制果實大小的新功能,這一進化過程被稱之為co-option。POS1基因的co-option至少包括兩個關鍵步驟:一是定向增強POS1在酸漿族祖先的花和果實中的表達;二是在新的背景下,第68位單個氨基酸由組氨酸向精氨酸的定向改變,產生新的PPIs。以上研究結果闡明了POS1調控果實大小的機制,揭示了co-option在POS1類基因功能進化中的作用與過程,為理解果實形態進化和產量控制提供了新見解和新材料。

        該成果近日在線發表在The Plant Journal上。相關研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項等項目的資助。

        論文鏈接 

       

      POS1調控果實大小的作用是其在酸漿族中特異co-option的結果 

      打印 責任編輯:江澄

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