近日，華中農業大學園藝植物生物學教育部重點實驗室匡漢暉教授課題組在PNAS雜誌上發表題為「Upregulationof a KN1 homolog by transposon insertion promotes leafy head development inlettuce」的研究論文。該論文首次報導了生菜中控制結球性狀基因LsKN1的克隆，並在分子水平上闡述了LsKN1調控生菜結球的作用機制。
生菜結球性研究中取得新進展
萵苣屬於菊科，起源於地中海地區，由野生萵苣Lactuca serriola馴化而來，是非常重要的蔬菜之一。萵苣的主要栽培類型包括葉用的結球生菜和莖用的萵筍。儘管不同栽培類型的萵苣之間形態差異較大，但其分化時間較短、不同類型之間雜種可育，是研究植物形態發生及進化的優良材料。
植株結球是部分葉用蔬菜特有的表型，主要見於十字花科的甘藍、白菜、孢子甘藍，以及菊科中的生菜及菊苣。這些蔬菜葉片由外向內彎曲、層層包裹，最終形成一個由葉片構成的球狀結構，稱之為葉球。結球性具有許多優點，如脆嫩的質地、長貨架期、便於機械化收割等。葉球是多基因控制的數量性狀，且容易受環境影響，進而造成其遺傳研究困難，至今未成功克隆葉球形成的遺傳調控基因。
本研究對結球生菜與不結球生菜雜交的F2群體進行遺傳分析，通過圖位克隆的方法獲得了一個控制生菜結球的主效QTL。該基因編碼一個與玉米KN1同源的基因，LsKN1。轉基因互補實驗和敲除實驗驗證了該基因對結球的調控作用。在結球生菜中，該基因的第一個外顯子中插入了一個CACTA轉座子。研究發現，CACTA轉座子的插入並未敲除LsKN1基因的功能。相反，轉座子插入後LsKN1基因的表達量顯著上調。啟動子活性實驗證明，該CACTA轉座子本身具有啟動子活性。
擬南芥中KN1基因的同源基因為STM（Shoot Meristemless），該基因主要在分生組織處表達，其功能為維持分生組織幹細胞的特性，抑制幹細胞的過早分化。對萵苣和向日葵基因組分析發現，KN1基因在菊科中發生了一次複製。萵苣中的LsKN1基因的表達模式和功能發生了明顯分化，在葉中有較高的表達。該基因受CACTA轉座子上調表達後，結球生菜葉片近遠軸細胞相似，背腹性分化減弱。ChIP-seq，EMSA和Y1H實驗均表明，LsKN1蛋白結合LsAS1基因的啟動子並抑制其表達。LsAS1的抑制表達使葉片背腹性減弱，進而形成葉球。在結球生菜中超量表達LsAS1導致葉片向外翻轉，從而驗證了抑制LsAS1基因的表達是生菜結球性狀形成的關鍵。
CACTA轉座子插入到LsKN1基因的第一個外顯子中引起生菜結球的表型
我校園藝林學學院博士後餘長春及博士畢業生嚴承歡為論文的共同第一作者，匡漢暉教授為論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。
來源：華中農業大學 南湖新聞網 通訊員 餘長春