近日，華中農業(yè)大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創(chuàng)新與利用全國重點實驗室陳炯炯副教授課題組在New Phytologist雜志在線發(fā)表了“A WOX homolog disrupted by a transposon led to the loss of spines and contributed to the domestication of lettuce”的研究論文。該研究通過正向遺傳學克隆了調控萵苣重要馴化性狀-刺發(fā)育的關鍵基因WS1，結合遺傳轉化、RNA-Seq、DAP-Seq等技術，詳細闡述了萵苣刺的發(fā)育機制，為野萵苣資源利用及從頭馴化提供了理論依據。

 

　　栽培萵苣（Lactuca sativa）由野萵苣（L. serriola）馴化而來，刺的消失是萵苣的重要馴化性狀之一。野萵苣又稱刺萵苣，英文名為prickly lettuce，莖和葉上有尖銳的刺。刺的存在不利于收獲、清洗和食用，影響消費者的感官評價，從而降低消費者購買欲，也限制了對野生種質資源的利用。探究萵苣刺發(fā)育的這一重要的馴化性狀、克隆控制基因并揭示其參與的調控網絡，對解析刺的形成機理提供了新見解，為野萵苣資源利用及從頭馴化奠定了理論依據。

 

　　本研究發(fā)現野萵苣的刺是表皮細胞形成的無腺體及木質化的多細胞尖銳突起；野萵苣的刺有莖和葉脈均有刺、只有葉脈有刺和無刺的三種分布類型，栽培萵苣全植株均表現為無刺。莖和葉脈均有刺的野萵苣中，還存在刺密度的變化。研究以莖葉均有刺的野萵苣與栽培無刺萵苣為親本，構建F2分離群體。作者利用BSA+RNA-seq方法，結合圖位克隆、序列分析以及轉基因功能驗證，發(fā)現調控野萵苣刺發(fā)育的基因是一個編碼WUSCHEL-related homeobox （WOX）的轉錄因子，將該基因命名為WOX-SPINE 1 （WS1）。栽培萵苣中，WS1基因的第一個外顯子插入一個CACTA的轉座子，使WS1基因喪失功能，導致栽培萵苣無刺。

 

　　作者進一步利用BSA+RNA-seq方法結和圖位克隆以及RNAi轉基因功能驗證，發(fā)現WS1表達量的差異調控野萵苣刺密度的多態(tài)性，表達量的差異是啟動子活性的差異造成的。此外，作者通過轉基因互補實驗驗證了來自CGN04800的WS1等位基因調控葉脈刺而莖無刺的性狀。

 

　　作者通過分析轉錄組的差異表達基因，篩選到一個TCP家族的基因LG4347241，是WS1調控的下游靶基因，其突變體的刺突消失、刺變軟不易斷裂、形態(tài)畸形，與野萵苣堅硬的刺形成鮮明對比。

 

　　WS1在萵苣馴化過程中受到了明顯的選擇。WS1和水稻中調控表皮毛發(fā)育的OsWOX3B可能都繼承了來自共同祖先調控毛狀體發(fā)育的保守功能。萵苣中3個WS1的同源基因在萵苣屬和菊苣屬分化后發(fā)生了復制，但只有WS1是唯一調控萵苣刺發(fā)育的基因，類似于水稻中OsWOX3和OsWOX3B的進化模式。

 

　　刺的丟失是萵苣馴化的重要事件之一。該研究通過對刺發(fā)育調控基因的遺傳克隆，為萵苣馴化研究提供了遺傳證據，為野生資源在萵苣育種中的有效利用奠定了基礎并豐富了植物刺發(fā)育的調控機制。

 

　　華中農業(yè)大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創(chuàng)新與利用全國重點實驗室博士研究生孫培楠為該論文第一作者，陳炯炯副教授為通訊作者。華中農業(yè)大學園藝林學學院、果蔬園藝種質創(chuàng)新與利用全國重點實驗室匡漢暉教授、王昕研究員參與了該工作。華中農業(yè)大學園藝林學學院碩士研究生李維波，博士研究生博士研究生吳智浩，已畢業(yè)碩士研究生袁煥然、潘江鵬也參與了該工作。本研究獲得國家自然科學基金 （31830079、32372719） 的資助。

 

　　論文鏈接：http://doi.org/10.1111/nph.19738