自孟德尔利用豌豆开展遗传杂交实验以来，豌豆就是最早研究复叶发育的模式植物。科学家在豌豆中已鉴定到多个经典的叶突变体，包括Unifoliata（uni）、afila（af）、tendril-less（tl）、cocholeata（coch）、stipule reduced（st）。豌豆的叶型主要包括普通叶型、无须叶型、全卷须型、碎叶型四种。20世纪70年代，豌豆育种家引入af突变开发了“半无叶”豌豆品种，该突变特征是所有小叶转化为卷须分枝，但保留了一对正常的托叶。“半无叶”株型具有诸多优点，如无需搭架、耐密植、抗倒伏、减少叶片遮荫、不利于病虫害繁殖、具有显著的早熟性、能够在不同气候下种植、适合培育秋季播种的耐寒品种。半个世纪以来，af“半无叶”突变在全世界广泛应用，而截至目前AF基因位点尚未得到克隆。
近日，中国科学院西双版纳热带植物园植物功能基因研究组以Mutations of?PsPALM1a and PsPALM1b associated with the afila Phenotype in Pea为题在Physiologia Plantarum上发表研究成果，初步解析了经典的卷须突变叶型调控基因座。研究人员对afila突变体进行表型统计分析发现，该突变体复叶的基部侧小叶全部被转化为卷须分枝，而顶部的卷须结构相比野生型没有显著变化；利用常规PCR和测序分析进行精细定位发现，AF基因座高度关联到两个串联排列的PsPLAM1a和PsPLAM1b基因，它们都编码C2H2的锌指蛋白转录因子，与已报道的蒺藜苜蓿PALM1、鹰嘴豆MPL1和耧斗菜POP为直系同源基因；在af突变体中包含PsPLAM1a和PsPLAM1b的基因座发生了复杂的大片段的缺失。进一步原位杂交显示，PsPALM1a和PsPALM1b在早期复叶原基基部小叶原基中特异性高表达，而在复叶原基顶部（将来发育为卷须的区域）和托叶原基低表达。研究发现，通过VIGS介导PsPALM1a和PsPALM1b的基因沉默能促使基部的侧小叶被转化为卷须。此外，类似于蒺藜苜蓿和鹰嘴豆，PsPALM1a和PsPALM1b基因通过抑制LFY同源基因UNI的时空表达模式来决定复叶基部小叶的命运。与野生型相比，af突变体中UNI（PsLFY）在茎尖和复叶原基中的表达量显著上调。原位杂交显示，野生型复叶原基基部侧小叶原基一旦起始，其UNI的表达立即被抑制，而af复叶原基早期从基部起始的新的原基也能检测到很强的UNI信号。
该研究发现了豌豆经典突变体afila的候选突变基因是PsPALM1a和PsPALM1b，进一步明晰了保守的分子调控模块AF-UNI（豌豆）/MPL1-CaLFY（鹰嘴豆）/PALM1-SGL1（蒺藜苜蓿）是如何介导不同复叶形态建成的，这为理解自然界复叶形态多样性的形成机制提供了新的启发，同时为豌豆半无叶性状的分子育种和遗传改良提供了理论指导和基因资源。
研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、云南省基础研究计划等的支持。
日期：2024-05-08
