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近日，中科院植物研究所研究員賀超英團(tuán)隊(duì)揭示了茄科譜系特異性招募POS1類(lèi)基因調(diào)控果實(shí)大小的進(jìn)化機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表于《植物學(xué)雜志》。
茄科是經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大的植物類(lèi)群之一，也是研究漿果進(jìn)化的重要代表性類(lèi)群。果實(shí)大小是受多基因控制的數(shù)量性狀，由細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞大小的變化共同決定。發(fā)現(xiàn)調(diào)控果實(shí)大小變異的基因并揭示招募它們的機(jī)制是果實(shí)進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)研究重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。
賀超英團(tuán)隊(duì)在前期工作中發(fā)現(xiàn)茄科特有單拷貝基因Physalis organ size 1/cytokinin response factor 3（POS1/CRF3）的第一內(nèi)含子中一個(gè)37-bp序列重復(fù)的拷貝數(shù)變異負(fù)調(diào)控該基因的表達(dá)量，而其表達(dá)量變異與酸漿屬漿果大小的自然變異呈正相關(guān)。
最近，他們通過(guò)基因編輯、過(guò)表達(dá)等多種遺傳操作，發(fā)現(xiàn)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(diào)控細(xì)胞大小和果實(shí)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該功能。
通過(guò)進(jìn)一步分析，研究人員發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)變是由譜系特異的單核苷酸多態(tài)性引起的。通過(guò)定點(diǎn)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(diào)控果實(shí)大小的功能，同時(shí)使它們失去與鈣網(wǎng)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(rèn)為是保守的，但是茄科POS1直系同源基因在關(guān)系密切的屬間發(fā)生了明顯的功能分化。酸漿族中POS1直系同源基因被征召來(lái)行使控制果實(shí)大小的新功能，這一進(jìn)化過(guò)程被稱(chēng)之為co-option。研究發(fā)現(xiàn)，POS1基因的co-option至少包括兩個(gè)關(guān)鍵步驟：一是定向增強(qiáng)POS1在酸漿族祖先的花和果實(shí)中的表達(dá)；二是在新的背景下，第68位單個(gè)氨基酸由組氨酸向精氨酸的定向改變，產(chǎn)生新的PPIs。
該研究闡明了POS1調(diào)控果實(shí)大小的機(jī)制，揭示了co-option在POS1類(lèi)基因功能進(jìn)化中的作用與過(guò)程，為理解果實(shí)形態(tài)進(jìn)化和產(chǎn)量控制提供了新見(jiàn)解和新材料。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/tpj.15786
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