Nature Genetics|贝瑞基因助力中科院遗传所揭开作物驯化过程的神秘面纱

在生活中,我们吃到的大豆大多为黄色,其实大豆种类众多,颜色也十分丰富,除了黄色,还有红色、绿色、黑色等。这些大豆都是从野生大豆逐步被驯化而来,以满足人们对于收获高产优质大豆的需求。想知道大豆驯化过程的秘密吗?科学家们为您揭晓。

近日,贝瑞基因助力中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜课题组和储成才课题组在Nature Genetics上成功发表了一篇文章,揭示了种子休眠调控基因在不同科作物驯化中受到平行选择的奥秘,加深了人们对植物驯化过程的理解,具有重要的应用价值。下面小编将带您进行一场时空穿梭,领略不同作物驯化过程中基因受到平行选择的神秘史。

文章标题:Parallel selection on a dormancy gene during domestication of crops from multiple families
发表杂志:Nature Genetics
影响因子:27.125
发表时间:2018 年9 月24 日

驯化是最早形式的育种,也是农业发展中最重要的事件之一。植物驯化过程中,一些重要的性状表现出趋同驯化的特征,这些特征综合在一起被称为“驯化综合征”。种子休眠减弱是一个典型的“驯化综合征”相关农艺性状。由于种子休眠表型难以鉴定,目前在作物驯化中受到选择的控制种子休眠基因报道较少。基于此,研究人员通过对不同的大豆种质资源进行全基因组重测序,进一步展开更深入的研究。

研究材料:大豆,水稻,拟南芥,番茄

研究方法:本研究以大豆等多个物种为研究对象,通过全基因组重测序,进行全基因组关联分析,FST、π、XP-CLR和EHHS分析开展相关研究。

1 . 全基因组关联分析(GWAS)鉴定大豆绿色种皮基因

大豆的种皮颜色在不同的种质中差异较大(图1a),G位点主要控制着大豆的绿色种皮性状。为了鉴定G位点控制绿色种皮性状的遗传机制,研究人员从全基因组重测序的种质中选择具有绿色和黄色种皮的栽培型大豆,进行全基因组关联分析(GWAS),最终在1号染色体上鉴定出与控制绿色种皮性状相关的SNP(SNP1128991,g.53229579A>G)(图1b),这个SNP位于基因Glyma.01G1985500中,研究人员将该基因命名为G基因。G基因编码一个功能未知的CAAX氨基末端蛋白酶。转录水平分析显示,与来自绿色种皮种质的G基因相比,来自黄色种皮种质的g基因能够导致另一个剪接位点形成,并产生提前终止的密码子(图1c)。G基因的突变也会导致最后一个跨膜结构域的丢失但是并不影响蛋白的亚细胞定位(图1d)。此外,将地方品种绿色种皮的大豆的Glyma.01G1985500基因转入栽培品种的黄色种皮大豆的实验证明了Glyma.01G1985500是控制大豆绿色种皮性状的G基因(图1e)

 

图1 G基因的鉴定

2. G基因是一个控制大豆种子休眠的驯化基因

栽培大豆是由野生大豆驯化形成农家种,进一步提高改良形成。野生大豆均为黑色种皮,农家种颜色多样,而栽培品种大多为黄色。令人惊讶的是研究人员发现所有的野生大豆都具有G基因型,与之相比,在农家种和栽培品种中G基因型的比例分别降低至21%和4%(图2a),这表明了大豆在驯化过程中对G基因型进行了强烈的选择。经过研究者进一步证实,与农家种和栽培品种相比,野生大豆表现出更快的纯合性衰退,表明G可能是一个驯化相关基因(图2c)。研究人员通过比较DN50和转基因品系种子的发芽率发现,转基因大豆的发芽率比DN50慢(图2d),而在打破种子休眠后两者发芽率相似(图2f),这些结果表明G基因是一个调控种子休眠的受驯化基因。

 

图2  G是一个调控大豆休眠的驯化基因

3. 水稻和番茄中G基因的同源基因在驯化过程中平行选择

通过对42个野生稻和134个栽培稻进行全基因组重测序以及FST、π和EHHS分析,结果均表明OsG基因在水稻驯化过程中受到选择(图3a),通过对之前醋栗番茄,樱桃番茄以及栽培型番茄基因组重测序数据以及FST、XP-CLR和EHHS分析表明,SolyG在番茄驯化过程中也受到了选择。(图3)

 

图3 OsG的驯化及其在水稻种子休眠中的作用

4. G同源基因在拟南芥中具有保守功能

AtG是大豆GGmG)基因在拟南芥中的同源基因,为了研究AtG在调控拟南芥种子休眠中的作用,研究人员对AtG基因的突变体的发芽率进行了观察,研究结果表明,对于新收获的种子,突变体的发芽率显著高于野生型(图4a,b),当通过同步化处理打破种子休眠后,野生型和atg突变体的种子表现出相似的萌发模式。这表明AtG可以调控拟南芥种子的休眠(图4c)。同时,研究人员通过将GmG基因两种等位变异在atg突变体中表达,进行萌发实验(图4b,c),证明G基因在控制种子休眠方面具有一定的保守性,以及G和g两种等位变异在调控种子休眠上的功能差异。此外,研究人员通过研究AtG基因在自然品系中的遗传多样性,确定了AtG基因有4种单倍型(图4d),不同的单倍型种子休眠性差异显著(图4e)。

 

图4 拟南芥中AtG控制种子休眠

5.G基因通过脱落酸(ABA)途径影响种子休眠

那么,G基因影响种子休眠的机制是什么呢?研究人员通过酵母双杂交筛选实验,鉴定到了与AtG相互作用的两个蛋白:环氧类胡萝卜素双加氧酶3(NCED3)和八氢番茄红素合成酶(PSY)(图5a),这两个蛋白是参与ABA生物合成途径的关键酶,进一步检测ABA生物合成前体的含量发现,与野生型相比,类胡萝卜素生物合成途径中的主要成分(β-胡萝卜素、玉米黄质、透黄质、α-胡萝卜素和叶黄素)在突变体atg中显著降低(图5c),并且ABA含量也显著低于野生型(P<0.01)(图5d)。因此,G基因可能通过调节ABA生物合成途径来调控种子的休眠。

 

图5 AtG与NCED3和PSY相互作用调节ABA积累

该研究首次报道了调控种子休眠的G基因在不同科作物驯化中受到平行选择,当人们在驯化一个新物种时,可以首先考虑改变这些受到平行选择的基因,优化其调控的农艺性状,进而达到加速驯化的目的。

参考文献

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

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