近日，华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺种质创新与利用全国重点实验室陈炯炯副教授课题组在New Phytologist杂志在线发表了“A WOX homolog disrupted by a transposon led to the loss of spines and contributed to the domestication of lettuce”的研究论文。该研究通过正向遗传学克隆了调控莴苣重要驯化性状-刺发育的关键基因WS1，结合遗传转化、RNA-Seq、DAP-Seq等技术，详细阐述了莴苣刺的发育机制，为野莴苣资源利用及从头驯化提供了理论依据。
栽培莴苣（Lactuca sativa）由野莴苣（L. serriola）驯化而来，刺的消失是莴苣的重要驯化性状之一。野莴苣又称刺莴苣，英文名为prickly lettuce，茎和叶上有尖锐的刺。刺的存在不利于收获、清洗和食用，影响消费者的感官评价，从而降低消费者购买欲，也限制了对野生种质资源的利用。探究莴苣刺发育的这一重要的驯化性状、克隆控制基因并揭示其参与的调控网络，对解析刺的形成机理提供了新见解，为野莴苣资源利用及从头驯化奠定了理论依据。
本研究发现野莴苣的刺是表皮细胞形成的无腺体及木质化的多细胞尖锐突起；野莴苣的刺有茎和叶脉均有刺、只有叶脉有刺和无刺的三种分布类型，栽培莴苣全植株均表现为无刺。茎和叶脉均有刺的野莴苣中，还存在刺密度的变化。研究以茎叶均有刺的野莴苣与栽培无刺莴苣为亲本，构建F2分离群体。作者利用BSA+RNA-seq方法，结合图位克隆、序列分析以及转基因功能验证，发现调控野莴苣刺发育的基因是一个编码WUSCHEL-related homeobox （WOX）的转录因子，将该基因命名为WOX-SPINE 1 （WS1）。栽培莴苣中，WS1基因的第一个外显子插入一个CACTA的转座子，使WS1基因丧失功能，导致栽培莴苣无刺。
作者进一步利用BSA+RNA-seq方法结和图位克隆以及RNAi转基因功能验证，发现WS1表达量的差异调控野莴苣刺密度的多态性，表达量的差异是启动子活性的差异造成的。此外，作者通过转基因互补实验验证了来自CGN04800的WS1等位基因调控叶脉刺而茎无刺的性状。
作者通过分析转录组的差异表达基因，筛选到一个TCP家族的基因LG4347241，是WS1调控的下游靶基因，其突变体的刺突消失、刺变软不易断裂、形态畸形，与野莴苣坚硬的刺形成鲜明对比。
WS1在莴苣驯化过程中受到了明显的选择。WS1和水稻中调控表皮毛发育的OsWOX3B可能都继承了来自共同祖先调控毛状体发育的保守功能。莴苣中3个WS1的同源基因在莴苣属和菊苣属分化后发生了复制，但只有WS1是唯一调控莴苣刺发育的基因，类似于水稻中OsWOX3和OsWOX3B的进化模式。
刺的丢失是莴苣驯化的重要事件之一。该研究通过对刺发育调控基因的遗传克隆，为莴苣驯化研究提供了遗传证据，为野生资源在莴苣育种中的有效利用奠定了基础并丰富了植物刺发育的调控机制。
华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺种质创新与利用全国重点实验室博士研究生孙培楠为该论文第一作者，陈炯炯副教授为通讯作者。华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺种质创新与利用全国重点实验室匡汉晖教授、王昕研究员参与了该工作。华中农业大学园艺林学学院硕士研究生李维波，博士研究生博士研究生吴智浩，已毕业硕士研究生袁焕然、潘江鹏也参与了该工作。本研究获得国家自然科学基金 （31830079、32372719） 的资助。
论文链接：http://doi.org/10.1111/nph.19738
日期：2024-05-04
