華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在萵苣葉色的遺傳機理研究中取得新進展
2021年11月08日來源：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
11月2日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室在The Plant Journal在線發(fā)表了題為“Alternative splicing triggered by the insertion of a CACTA transposon attenuates LsGLK and leads to the development of pale-green leaves in lettuce”的研究論文，該論文通過正向遺傳學(xué)的方法克隆了控制萵苣葉色變異的基因LsGLK，并發(fā)現(xiàn)其下游CACTA轉(zhuǎn)座子插入導(dǎo)致的可變剪接是形成萵苣葉淺綠色性狀的遺傳基礎(chǔ)。
萵苣是世界上重要的蔬菜作物之一。萵苣群體內(nèi)具有豐富的葉色變異，這主要是由花青素和光合色素的含量和比值不同造成的。然而，萵苣葉色由多個位點調(diào)控，其變異的遺傳分子機理尚不清楚。課題組之前系統(tǒng)闡明了萵苣花青素積累的遺傳機理，并將研究成果發(fā)表在Nature Communications （Zhang et al., 2017）和Plant Biotechnology Journal （Su et al., 2019）雜志上。在該論文中，課題組解析了萵苣葉片中光合色素含量變異的遺傳基礎(chǔ)。
利用連鎖分析克隆LsGLK基因
在本次研究中，課題組利用134份包含野生萵苣（Lactuca serriola）和栽培萵苣（Lactuca sativa）材料的多樣性群體，對葉片的光合色素含量進行測定，確定了萵苣群體中不同栽培類型間光合色素含量的變異特征。與野生萵苣相比，栽培萵苣的光合色素含量顯著降低。而在各栽培類型中，油用萵苣的光合色素含量最高，散葉生菜的光合色素含量最低。這表明萵苣在馴化和改良分化過程中伴隨著光合色素含量的變異。
CACTA轉(zhuǎn)座子插入LsGLK基因并導(dǎo)致可變剪接
通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，該研究鑒定到一個與光合色素（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素以及總光合色素）含量變異顯著相關(guān)的主效QTL。課題組進一步通過構(gòu)建雙親群體，利用BSR-Seq和圖位克隆的策略，將此位點精細定位到4號染色體5,375 bp區(qū)段內(nèi)，并獲得了一個編碼GARP類型轉(zhuǎn)錄因子的基因LsGLK。轉(zhuǎn)基因互補驗證了該基因?qū)夂仙睾康恼{(diào)控作用。在淺綠植株中，該基因終止密碼子后10 bp處插入了一個長度為7,434 bp的CACTA類轉(zhuǎn)座子，在轉(zhuǎn)座子后又有第3-6四個外顯子的復(fù)制。此外，CACTA類轉(zhuǎn)座子的插入導(dǎo)致LsGLK基因發(fā)生可變剪接，大部分轉(zhuǎn)錄本丟失了第六個外顯子，只有6%的轉(zhuǎn)錄本未改變編碼區(qū)并可翻譯為功能蛋白。與深綠植株相比，淺綠植株中轉(zhuǎn)座子的插入沒有改變GLK基因的表達量。然而，由于可變剪接，產(chǎn)生了大量的非功能性轉(zhuǎn)錄本，相當(dāng)于降低了LsGLK基因的表達，導(dǎo)致植株葉淺綠色性狀。
課題組進一步利用轉(zhuǎn)座子的插入開發(fā)分子標(biāo)記并重新進行關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)座子的插入能夠解釋萵苣自然群體不同類型光合色素含量20.9%-33.2%的表型變異，這表明該位點是導(dǎo)致萵苣自然群體中葉綠色深淺變異的主效位點。最后，進化分析表明轉(zhuǎn)座子的插入發(fā)生在萵苣馴化過程中。在萵苣分化為各個栽培類型的過程中，GLK的不同基因型被人們選擇并在各栽培類型中固定下來。
該研究利用關(guān)聯(lián)分析和連鎖分析相結(jié)合的策略，成功克隆了控制萵苣葉綠色深淺變異的基因，闡明了萵苣光合色素含量變異的遺傳機理，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座子對植物豐富的表型變異具有重要貢獻，研究結(jié)果為萵苣葉色的選育提供了方法指導(dǎo)和理論依據(jù)。
園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室博士畢業(yè)生張磊（現(xiàn)工作單位：江蘇師范大學(xué)）為論文第一作者，陳炯炯副教授為論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。
【英文摘要】
Lettuce is one of the most important vegetable crops in the world. As a leafy vegetable, the polymorphism from dark to pale green of lettuce leaves is an important trait. However, the genetic and molecular mechanisms underlying such variations remain poorly understood. In this study, one major locus controlling polymorphism of dark- and pale-green leaves in lettuce was identified using genome wide association studies （GWAS）。 This locus was then fine-mapped to an interval of 5,375 bp on chromosome 4 using a segregating population containing 2,480 progeny. only one gene, homologous to the GLK genes in Arabidopsis and other plants is present in the candidate region. A complementation test confirmed that the candidate gene, LsGLK, contributes to the variation of dark- and pale-green leaves. Sequence analysis showed that a CACTA transposon of 7,434 bp was inserted 10 bp downstream of the stop codon of LsGLK, followed by a duplication of a 1,826-bp fragment covering exons 3-6 of the LsGLK gene. The transposon insertion did not change the expression level of the LsGLK gene. However, because of alternative splicing, only 6% of the transcripts produced from the transposon insertion were wild-type transcripts, which led to the production of pale-green leaves. An evolutionary analysis revealed that the insertion of the CACTA transposon occurred in cultivated lettuce and might have been selected in particular cultivars to satisfy the diverse demands of consumers. In this study, we demonstrated that a transposon insertion near a gene may affect its splicing and consequently generate phenotypic variations.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.15563
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