Nature Genetics|貝瑞基因助力中科院遺傳所揭開作物馴化過程的神秘面紗

在生活中,我們吃到的大豆大多為黃色,其實大豆種類眾多,顏色也十分豐富,除了黃色,還有紅色、綠色、黑色等。這些大豆都是從野生大豆逐步被馴化而來,以滿足人們對于收獲高產優質大豆的需求。想知道大豆馴化過程的秘密嗎?科學家們為您揭曉。

近日,貝瑞基因助力中國科學院遺傳與發育生物學研究所田志喜課題組和儲成才課題組在Nature Genetics上成功發表了一篇文章,揭示了種子休眠調控基因在不同科作物馴化中受到平行選擇的奧秘,加深了人們對植物馴化過程的理解,具有重要的應用價值。下面小編將帶您進行一場時空穿梭,領略不同作物馴化過程中基因受到平行選擇的神秘史。

文章標題:Parallel selection on a dormancy gene during?domestication of crops from multiple families
發表雜志:Nature Genetics
影響因子:27.125
發表時間:2018 年9 月24 日

馴化是最早形式的育種,也是農業發展中最重要的事件之一。植物馴化過程中,一些重要的性狀表現出趨同馴化的特征,這些特征綜合在一起被稱為“馴化綜合征”。種子休眠減弱是一個典型的“馴化綜合征”相關農藝性狀。由于種子休眠表型難以鑒定,目前在作物馴化中受到選擇的控制種子休眠基因報道較少。基于此,研究人員通過對不同的大豆種質資源進行全基因組重測序,進一步展開更深入的研究。

研究材料:大豆,水稻,擬南芥,番茄

研究方法:本研究以大豆等多個物種為研究對象,通過全基因組重測序,進行全基因組關聯分析,FST、π、XP-CLR和EHHS分析開展相關研究。

1 . 全基因組關聯分析(GWAS)鑒定大豆綠色種皮基因

大豆的種皮顏色在不同的種質中差異較大(圖1a),G位點主要控制著大豆的綠色種皮性狀。為了鑒定G位點控制綠色種皮性狀的遺傳機制,研究人員從全基因組重測序的種質中選擇具有綠色和黃色種皮的栽培型大豆,進行全基因組關聯分析(GWAS),最終在1號染色體上鑒定出與控制綠色種皮性狀相關的SNP(SNP1128991,g.53229579A>G)(圖1b),這個SNP位于基因Glyma.01G1985500中,研究人員將該基因命名為G基因。G基因編碼一個功能未知的CAAX氨基末端蛋白酶。轉錄水平分析顯示,與來自綠色種皮種質的G基因相比,來自黃色種皮種質的g基因能夠導致另一個剪接位點形成,并產生提前終止的密碼子(圖1c)。G基因的突變也會導致最后一個跨膜結構域的丟失但是并不影響蛋白的亞細胞定位(圖1d)。此外,將地方品種綠色種皮的大豆的Glyma.01G1985500基因轉入栽培品種的黃色種皮大豆的實驗證明了Glyma.01G1985500是控制大豆綠色種皮性狀的G基因(圖1e)

 

圖1 G基因的鑒定

2. G基因是一個控制大豆種子休眠的馴化基因

栽培大豆是由野生大豆馴化形成農家種,進一步提高改良形成。野生大豆均為黑色種皮,農家種顏色多樣,而栽培品種大多為黃色。令人驚訝的是研究人員發現所有的野生大豆都具有G基因型,與之相比,在農家種和栽培品種中G基因型的比例分別降低至21%和4%(圖2a),這表明了大豆在馴化過程中對G基因型進行了強烈的選擇。經過研究者進一步證實,與農家種和栽培品種相比,野生大豆表現出更快的純合性衰退,表明G可能是一個馴化相關基因(圖2c)。研究人員通過比較DN50和轉基因品系種子的發芽率發現,轉基因大豆的發芽率比DN50慢(圖2d),而在打破種子休眠后兩者發芽率相似(圖2f),這些結果表明G基因是一個調控種子休眠的受馴化基因。

 

圖2 ?G是一個調控大豆休眠的馴化基因

3. 水稻和番茄中G基因的同源基因在馴化過程中平行選擇

通過對42個野生稻和134個栽培稻進行全基因組重測序以及FST、π和EHHS分析,結果均表明OsG基因在水稻馴化過程中受到選擇(圖3a),通過對之前醋栗番茄,櫻桃番茄以及栽培型番茄基因組重測序數據以及FST、XP-CLR和EHHS分析表明,SolyG在番茄馴化過程中也受到了選擇。(圖3)

 

圖3 OsG的馴化及其在水稻種子休眠中的作用

4. G同源基因在擬南芥中具有保守功能

AtG是大豆GGmG)基因在擬南芥中的同源基因,為了研究AtG在調控擬南芥種子休眠中的作用,研究人員對AtG基因的突變體的發芽率進行了觀察,研究結果表明,對于新收獲的種子,突變體的發芽率顯著高于野生型(圖4a,b),當通過同步化處理打破種子休眠后,野生型和atg突變體的種子表現出相似的萌發模式。這表明AtG可以調控擬南芥種子的休眠(圖4c)。同時,研究人員通過將GmG基因兩種等位變異在atg突變體中表達,進行萌發實驗(圖4b,c),證明G基因在控制種子休眠方面具有一定的保守性,以及G和g兩種等位變異在調控種子休眠上的功能差異。此外,研究人員通過研究AtG基因在自然品系中的遺傳多樣性,確定了AtG基因有4種單倍型(圖4d),不同的單倍型種子休眠性差異顯著(圖4e)。

 

圖4 擬南芥中AtG控制種子休眠

5.G基因通過脫落酸(ABA)途徑影響種子休眠

那么,G基因影響種子休眠的機制是什么呢?研究人員通過酵母雙雜交篩選實驗,鑒定到了與AtG相互作用的兩個蛋白:環氧類胡蘿卜素雙加氧酶3(NCED3)和八氫番茄紅素合成酶(PSY)(圖5a),這兩個蛋白是參與ABA生物合成途徑的關鍵酶,進一步檢測ABA生物合成前體的含量發現,與野生型相比,類胡蘿卜素生物合成途徑中的主要成分(β-胡蘿卜素、玉米黃質、透黃質、α-胡蘿卜素和葉黃素)在突變體atg中顯著降低(圖5c),并且ABA含量也顯著低于野生型(P<0.01)(圖5d)。因此,G基因可能通過調節ABA生物合成途徑來調控種子的休眠。

 

圖5 AtG與NCED3和PSY相互作用調節ABA積累

該研究首次報道了調控種子休眠的G基因在不同科作物馴化中受到平行選擇,當人們在馴化一個新物種時,可以首先考慮改變這些受到平行選擇的基因,優化其調控的農藝性狀,進而達到加速馴化的目的。

參考文獻

Min Wang?et al. Parallel selection on a dormancy gene during?domestication of crops from multiple families. Nature Genetics, 2018.

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