2023年3月,北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院宋躍朋教授課題組的研究成果發(fā)表在了Plant Physiology期刊上(影響因子7.4),文章題目為 “Enhanced genome-wide association reveals the role of YABBY11-NGATHA-LIKE1 in leaf serration development of Populus"的研究論文。該研究使用DNA親和純化測序(DAP-seq)技術(shù)鑒定了楊屬YABBY11轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合基序和靶基因。發(fā)現(xiàn)YABBY11與楊樹葉形自然變異顯著關(guān)聯(lián),為探索理想葉形遺傳改良奠定了理論基礎(chǔ)。
該研究發(fā)現(xiàn),在毛白楊基因組中,YABBY11由于存在提前終止位點(PtoYAB11PSC),從而導(dǎo)致鋅指結(jié)構(gòu)域缺失,進(jìn)而失去了對下游靶基因PtoNGAL-1與PtoRBCL的轉(zhuǎn)錄激活作用,使葉緣鋸齒加劇、葉面積增大、光合利用效率提升。
圖 1 楊樹自然群體葉形變異顯著
楊樹葉片形態(tài)變異豐富,在種間與種內(nèi)都存在顯著的自然變異。為了闡明楊樹葉片形態(tài)自然變異的遺傳學(xué)基礎(chǔ),以毛白楊與小葉楊種質(zhì)資源群體為材料,發(fā)現(xiàn)在兩個關(guān)聯(lián)群體中,基因型-表型關(guān)聯(lián)顯著性最高的SNPs均位于YABBY11基因上。在毛白楊群體中,YABBY11具有提前終止位點(PtoYABBY11PSC),導(dǎo)致與DNA結(jié)合的鋅指結(jié)構(gòu)域全部丟失,僅保留了核定位信號。以YABBY11為候選基因構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,顯示提前終止位點僅存在白楊派中,暗示了YABBY11PSC可能是一個白楊派特異的基因變體。
圖 2 基于持續(xù)同調(diào)拓?fù)鋽?shù)據(jù)高通量量化的全基因組關(guān)聯(lián)分析
圖3 楊屬YABBY11基因系統(tǒng)發(fā)育樹
為闡明PtoYABBY11PSC攜帶的提前翻譯終止位點是否改變了YABBY11下游的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò),研究者利用表達(dá)數(shù)量性狀位點定位策略(eQTNs)分別對毛白楊和小葉楊群體YABBY11核酸變異與表達(dá)量進(jìn)行分析。在毛白楊群體中,97個SNPs與55個基因表達(dá)量顯著關(guān)聯(lián)。在小葉楊群體中,共發(fā)現(xiàn)61個SNPs與52個基因形成表達(dá)量顯著關(guān)聯(lián)。靶基因功能注釋結(jié)果顯示,PtoYABBY11PSC與PsiYABBY11下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因顯著不同,暗示PtoYABBY11PSC攜帶的提前翻譯終止位點已經(jīng)顯著改變了毛白楊YABBY11下游的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
圖 4 PsiYABBY11基因通過順式作用元件與下游靶基因相互作用
使用DAP-seq技術(shù),對具有完整轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)的PsiYABBY11下游靶基因進(jìn)行篩選,在164個基因上共篩選到220個PsiYABBY11互作位點,其中37.5%的互作位點位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游2000 bp范圍內(nèi)。對PsiYABBY11下游靶基因進(jìn)行KEGG通路注釋,PsiYABBY11的下游靶基因主要富集在photosynthesis, oxidative phosphorylation, starch and sucrose metabolism, 以及 ribosome等通路中。聯(lián)合eQTNs與DAP-seq分析結(jié)果,共篩選出NGAL1, RBCL, PHOTOSYSTEM II REACTION CENTER PROTEIN B (PSBB), ATP SYNTHASE SUBUNIT ALPHA (ATPA)以及ATP SYNTHASE EPSILON CHAIN (ATPE) 基因為PsiYABBY11的下游靶基因。酵母單雜交與EMSA實驗進(jìn)一步驗證了PsiYABBY11可以和NGAL1 與RBCL基因的啟動子直接結(jié)合。雙熒光素酶實驗結(jié)果表明PsiYABBY11能夠激活NGAL1 與RBCL基因表達(dá)。酵母單雜實驗結(jié)果進(jìn)一步證明了NGAL1與其下游生長素響應(yīng)靶基因CUC2也存在相互作用。該結(jié)果表明,YABBY11-NGAL1-CUC2 可能通過調(diào)控楊樹葉邊緣發(fā)育進(jìn)而導(dǎo)致葉片形態(tài)的自然變異。
圖 5 PsiYABBY11與PtoYABBY11PSC分子功能解析
在PtoYABBY11PSC與PsiYABBY11的過表達(dá)株系中, PtoYABBY11PSC-OE植株葉長、葉寬、葉面積顯著增加,光合作用效率顯著提升,葉片邊緣鋸齒顯著加劇。PtoYABBY11PSC-OE植株葉長、葉寬、葉面積顯著減小,光合作用效率降低,葉片邊緣光滑,但是葉脈厚度與氣孔密度顯著增加。 PtoYAB11PSC-KO的基因敲除突變植株葉片邊緣光滑,但是光合作用效率與葉片面積沒有顯著改變。
圖 6 楊屬YABBY11調(diào)控葉形自然變異的分子機制
以上研究結(jié)果表明, YABBY11激活NGAL1的表達(dá),進(jìn)而抑制CUC2基因表達(dá),調(diào)控光滑葉緣的形態(tài)發(fā)育。同時,YABBY11 激活RBCL基因表達(dá),導(dǎo)致Rubisco大小亞基裝配失調(diào),進(jìn)而光合作用效率下降。而在白楊派樹種中,YABBY11PSC由于攜帶翻譯提前終止位點,喪失了對NGAL1-CUC2模塊以及RBCL基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用,進(jìn)而導(dǎo)致葉片面積增大、葉片鋸齒加劇、光合作用效率提升。此外,YABBY11在毛白楊與小葉楊中均對脅迫信號響應(yīng)敏感,暗示了YABBY11-NGAL1-CUC2可能是基因組與環(huán)境信號互作調(diào)控葉形變異的關(guān)鍵分子調(diào)控模塊。該模塊為系統(tǒng)了解葉形響應(yīng)外界環(huán)境信號產(chǎn)生自然變異提供了一個全新的視角,為探索理想葉形遺傳改良奠定了理論基礎(chǔ)。