近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所分子設(shè)計(jì)育種團(tuán)隊(duì)在大白菜結(jié)球的轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面取得新進(jìn)展。該研究通過大規(guī)模時(shí)序轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了大白菜葉球發(fā)育過程中存在以轉(zhuǎn)錄重編程為特征的結(jié)球轉(zhuǎn)變期，并揭示了植物激素乙烯在大白菜結(jié)球發(fā)育中的特殊調(diào)控作用。相關(guān)內(nèi)容以“A cluster of transcripts identifies a transition stage initiating leafy head growth in heading morphotypes of Brassica”為題于2月3日在線發(fā)表在國際著名植物學(xué)期刊The Plant Journal上。
葉片結(jié)球是重要的園藝性狀，多種蔬菜如大白菜、結(jié)球甘藍(lán)與生菜等均具有葉片結(jié)球性狀。這些葉球作物的生長發(fā)育先后經(jīng)歷了幼苗期、蓮座期，及特有的結(jié)球期。大白菜和甘藍(lán)是重要的葉菜類蔬菜，兩者經(jīng)歷了共同的基因組三倍化事件，并獨(dú)立馴化形成了葉球性狀。前期研究已定位并解析了葉球形成的多個(gè)調(diào)控基因，但結(jié)球期如何啟動及促進(jìn)葉球形成的關(guān)鍵因素尚未明確。本研究以大白菜研究對象，以不結(jié)球白菜為對照，開展了基于時(shí)間序列的大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組測序，繪制了跨越蓮座期與結(jié)球期的高密度基因轉(zhuǎn)錄圖譜。分析發(fā)現(xiàn)，在蓮座期后，大白菜經(jīng)歷了一個(gè)特異性的轉(zhuǎn)錄重編程過程，即結(jié)球轉(zhuǎn)變期。大量的植物激素、激酶及其他調(diào)控基因在該時(shí)期特異上調(diào)表達(dá)。對應(yīng)地，向內(nèi)卷曲的結(jié)球葉也在該時(shí)期內(nèi)開始出現(xiàn)。研究還發(fā)現(xiàn)大白菜和甘藍(lán)中共有該結(jié)球轉(zhuǎn)變期。比較不同球型和熟性的大白菜發(fā)現(xiàn)，疊抱晚熟大白菜的結(jié)球轉(zhuǎn)變期相對更長；在結(jié)球甘藍(lán)中發(fā)現(xiàn)也存在著相似的結(jié)球轉(zhuǎn)變期，說明大白菜和甘藍(lán)在結(jié)球轉(zhuǎn)變期上存在著趨同馴化。
圖1. 大白菜結(jié)球轉(zhuǎn)變期的主要特征
研究進(jìn)一步鑒定了葉球發(fā)育啟動的重要基因調(diào)控模塊，如以PINs為核心的生長素極性運(yùn)輸、以IQDs為核心的微管組織、以BIN2為核心的不對稱生長調(diào)控、與以KAN2、ARF4等為核心的葉片背腹性調(diào)控模塊，為后續(xù)深入解析葉球形成的調(diào)控機(jī)制提供了重要的參考。同時(shí)，通過比較不同溫度環(huán)境下大白菜的表型及基因表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境可能通過推遲結(jié)球轉(zhuǎn)變期的啟動而推遲白菜結(jié)球。溫度響應(yīng)通路基因在高溫環(huán)境下的表達(dá)顯著推遲，提示溫度可能是介導(dǎo)結(jié)球轉(zhuǎn)變期啟動的關(guān)鍵環(huán)境信號。在以上研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了大白菜葉球發(fā)育相關(guān)的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。分析發(fā)現(xiàn)生長素、油菜素內(nèi)酯及乙烯相關(guān)基因存在著明顯的共表達(dá)現(xiàn)象，提示這些植物激素可能在結(jié)球啟動中發(fā)揮重要的協(xié)同調(diào)控作用。最后，該研究還首次揭示了乙烯在大白菜結(jié)球發(fā)育調(diào)控中的重要作用。研究發(fā)現(xiàn)大白菜中乙烯相關(guān)基因受到選擇，且在結(jié)球轉(zhuǎn)變期顯著上調(diào)表達(dá)；乙烯處理發(fā)現(xiàn)，乙烯顯著促進(jìn)了蓮座期大白菜葉片的快速直立。這些結(jié)果顯示，乙烯在大白菜的結(jié)球馴化過程中被選擇利用。相應(yīng)的，乙烯在結(jié)球甘藍(lán)中未被選擇利用；同時(shí)乙烯處理促進(jìn)結(jié)球甘藍(lán)的葉柄和節(jié)間變長，而葉夾角無明顯變化。這與大白菜和結(jié)球甘藍(lán)的葉球表型差異相符合，反映了大白菜和結(jié)球甘藍(lán)的差異性馴化。
圖2. 大白菜結(jié)球過程的轉(zhuǎn)錄動態(tài)調(diào)控模型
綜上所述，該研究通過大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組分析，首次發(fā)現(xiàn)了調(diào)控葉球發(fā)育的關(guān)鍵結(jié)球轉(zhuǎn)變時(shí)期，構(gòu)建了大白菜葉球發(fā)育的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模型，并揭示了結(jié)球白菜與甘藍(lán)的趨同及差異馴化現(xiàn)象，為系統(tǒng)解析葉球發(fā)育的調(diào)控機(jī)制和關(guān)鍵基因功能提供了重要參考，為加深對作物馴化選擇策略的理解提供了新視角。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張亢助理研究員和博士生楊印慶為該論文的共同第一作者，程鋒研究員、王曉武研究員和加州大學(xué)伯克利分校的Michael Freeling教授為共同通訊作者。研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
