【項目案例】亞洲棉無短絨性狀的遺傳機制研究 | Plant Biotechnol J.

1.?larINDEL_FZ與棉花種子短絨和葉茸毛性狀顯著相關(guān)

本研究中，作者利用215份亞洲棉自然群體，在前人基于SNP標(biāo)記的GWAS基礎(chǔ)上（Du et al.?2018），基于SV（結(jié)構(gòu)變異）標(biāo)記對種子短絨和葉茸毛性狀進(jìn)行GWAS，鑒定得到位于A08染色體末端的一個非編碼插入片段larINDEL_FZ與短絨和葉茸毛表型顯著相關(guān)（圖1a, b）；連鎖不平衡分析發(fā)現(xiàn)，在關(guān)聯(lián)區(qū)域有4個連鎖不平衡(LD)位點，SNP_FZ不位于這些位點內(nèi)（圖1c, d）；對SNP_FZ和larINDEL_FZ基因型與種子短絨的相關(guān)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)只有l(wèi)arINDEL_FZ基因型與無茸毛表型高度相關(guān)（圖1e）。以上結(jié)果表明，插入片段larINDEL_FZ與種子短絨和葉茸毛性狀顯著相關(guān)。

圖1 larINDEL_FZ與棉花種子短絨和葉茸毛性狀顯著相關(guān)

2.?larINDEL_FZ的遺傳結(jié)構(gòu)及其與種子短絨和葉茸毛的相關(guān)性

為了驗證插入片段larINDEL_FZ，作者利用19個重疊引物在具有代表性的短絨和無絨材料（GA0146和GA0149）中進(jìn)行序列分析，發(fā)現(xiàn)短絨材料中有一個大小為6226 bp的插入片段larINDEL_FZ（圖2a）；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該插入片段由一個約5?kb的重復(fù)序列和一個約1.2?kb的易位片段組成（圖2b）；作者在GWAS群體以及GA0146和GA0149構(gòu)建的包含1212單株的F₂群體中分析larINDEL_FZ和表型的相關(guān)性，結(jié)果表明，位于亞洲棉第8染色體上的6226?bp的larINDEL_FZ與種子短絨和葉茸毛顯著相關(guān)（圖2c）。

?圖2 larINDEL_FZ的遺傳機制

3.larINDEL_FZ是激活GaFZ表達(dá)的關(guān)鍵調(diào)控增強子

作者對關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)8個基因的表達(dá)模式分析，發(fā)現(xiàn)在短絨發(fā)育起始階段，無絨材料中GaFZ基因表達(dá)顯著高于短絨材料（圖3a）；從GWAS群體中隨機挑選各6個短絨和無絨材料進(jìn)行基因和啟動子序列分析，發(fā)現(xiàn)larINDEL_FZ存在于所有的無絨材料中（圖3b, c）；熒光素酶活性分析實驗結(jié)果表明，larINDEL_FZ可能扮演遠(yuǎn)端增強子角色特異激活其下游短絨發(fā)育關(guān)鍵基因的GaFZ?表達(dá)（圖3d, e）

?圖3 larINDEL_FZ激活GaFZ基因表達(dá)

4.GaFZ基因轉(zhuǎn)基因植株的表現(xiàn)

為了進(jìn)一步驗證GaFZ基因的功能，作者分別在擬南芥和有短絨的陸地棉中過表達(dá)GaFZ基因，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因擬南芥葉茸毛的發(fā)育收到了明顯的抑制，同時轉(zhuǎn)基因棉花株系的莖毛、葉茸毛和短絨的發(fā)育也均受到了不同程度的抑制（圖a-h）；但是，轉(zhuǎn)基因棉花和擬南芥中根毛的數(shù)量均沒有發(fā)生變化；qRT-PCR分析顯示，過表達(dá)株系中GaFZ基因顯著高于野生型（圖4i-j）；結(jié)果表明，GaFZ基因可以抑制葉茸毛和短絨纖維的發(fā)育，而對根毛的發(fā)育沒有抑制作用。

?圖4 GaFZ基因轉(zhuǎn)基因棉花的表現(xiàn)

5.GaFZ基因調(diào)控亞洲棉短絨發(fā)育的遺傳機制

作者進(jìn)一步在短絨和無絨棉花材料和過表達(dá)的擬南芥材料中分析全基因共表達(dá)譜，在擬南芥和棉花的短絨關(guān)鍵發(fā)育階段，共鑒定出1343個和367個差異表達(dá)基因，這些基因主要參與次生代謝，如脂肪酸伸長和角質(zhì)、栓質(zhì)和蠟質(zhì)的生物合成；結(jié)合互作分析發(fā)現(xiàn)，GaFZ基因可能通過抑制超長鏈脂肪酸伸長途徑中關(guān)鍵基因的表達(dá)，進(jìn)一步抑制脂肪酸延伸的下游途徑，從而影響短絨/葉茸毛的發(fā)育。作者基于基因功能分析,提出了一個亞洲棉短絨發(fā)育的可能機制（圖5）。

?圖5 larINDEL_FZ調(diào)控亞洲棉短絨發(fā)育的可能機制