Nature Comm.|敲除這個基因,即可實現楊樹不飄絮!

2020-12-14 BioArt生物藝術

楊樹在全球廣泛分布，是主要的造林用材樹種之一，但是楊樹飛絮導致的環境汙染，嚴重製約了楊樹產業的發展。通過克隆控制楊樹雌蕊和雄蕊發育的基因是實現不飛絮楊樹品種培育的基礎科學問題。近日，南京林業大學尹佟明課題組在Nature Communications上發表了題為Evidences for a role of two Y-specific genes in sex determination in Populus deltoides的研究論文，鑑定到了決定美洲黑楊雌、雄蕊發育的兩個重要基因。研究結果為培育不飛絮、少花粉的美洲黑楊新品種提供了重要基礎。

該研究通過對美洲黑楊雌、雄花芽進行長期地動態觀察，對其性別決定基因進行精細定位，在其性別決定區發現了Y染色體特異的DNA片段，證實美洲黑楊性別決定系統與人類一樣，屬XY性別決定系統。同時，利用自然群體進行的全基因組關聯分析發現，與性別表型一致的差異序列均來自於Y染色體特異的片段。這個片段含有兩個基因，分別是FERR-R 和MSL基因。

研究發現，FERR-R基因是由在雌花中特異表達的基因FERR（該基因位於性別決定區外）複製形成，複製出的基因FERR-R丟失了部分序列，轉錄產生siRNA反過來調控FERR基因，使FERR基因的啟動子和第一外顯子發生甲基化，並降解FERR轉錄本，從而抑制FERR基因在雄性中表達。MSL是LTR/Gypsy轉座子序列，可以產生長鏈非編碼RNA。

進一步地對擬南芥進行遺傳轉化發現，FERR基因的轉基因株系出現了雌蕊增加的表型，但過表達該基因不影響雄蕊發育；而MSL基因的轉基因株系由野生型的四強雄蕊轉變為六強雄蕊，並出現了7-8枚雄蕊的表型，過表達該基因不影響雌蕊發育，因此MSL有促雄功能。

FERR與MSL基因對雌蕊和雄蕊發育調控的轉基因功能驗證

美洲黑楊雌株只有FERR基因，所以雌花發育；而雄株雖然含有FERR基因，但該基因受到Y染色體特異的FERR-R基因抑制，所以在雄株花序中雌花不發育。因為FERR基因的表達有時空特異性，只在雌花分化的早期表達，所以通過基因編輯技術可以敲除該基因，解決美洲黑楊雌株的飄絮問題；而針對MSL基因的編輯，可以減少花粉汙染。

南京林業大學林學院薛良交教授為文章第一作者，青年教師吳懷通、陳贏男、李小平為文章共同第一作者，英國皇家科學院院士Deborah Charlesworth和尹佟明教授為文章通訊作者。該項研究得到科技部「十三五」重大項目和國家自然科學基金委國際合作重點項目的資助。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19559-2

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