作者 |張晴丹 中國科學報
結球生菜大約在第十片葉子開始向內彎曲，逐漸發育成一個球形。
匡漢暉在實驗大棚對結球生菜進行去雄雜交。匡漢暉供圖
沒放生菜的漢堡是沒有靈魂的，蔬菜沙拉裡也必有生菜的身影。近年來，生菜已經成為頗受消費者喜愛的食物，其中結球生菜因營養豐富且口感更加清脆、鮮嫩，在眾生菜中「脫穎而出」。
結球生菜如何形成葉球？這引起了科學家的好奇。
然而，與模式植物不同，蔬菜種類繁多，有上百種，結球又是蔬菜裡特有的性狀，其複雜性讓國內外相關研究止步不前。
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課題組攻堅克難，通過正向遺傳學方法成功鑑定了控制生菜結球的基因，並且用遺傳轉化驗證了該基因功能和作用機理，對結球蔬菜的品種選育有著重要的科學意義。
相關研究成果發表在美國《國家科學院院刊》上。
遺傳研究困難重重
人們通常所說的生菜在分類學上屬於葉用萵苣，而莖用萵苣則被人們稱為萵筍。
作為重要的大宗蔬菜之一，萵苣屬於菊科，起源於地中海地區，具有非常豐富的栽培類型，包括羅馬生菜、散葉生菜、奶油生菜、結球生菜、油麥菜、萵筍等。
「萵苣不同栽培類型之間的形態差異較大，但不同類型之間可以進行雜交，並能產生可育的後代。因此，萵苣是研究植物形態發生及進化的優良材料。」匡漢暉在接受《中國科學報》採訪時表示。
這裡面，生菜的「結球」特性引起了課題組的興趣。
結球是葉片發育的特殊表型。結球蔬菜的葉片都有一個共同特徵，即葉片由外向內彎曲、層層包裹，由葉片構成一個球狀結構，這樣的葉球裡幾乎是無菌狀態，非常乾淨。
從生物學角度來看，結球性狀與植物傳宗接代的「使命」有些背道而馳。植物生長的目的是把自己的基因傳遞給下一代，結球以後，植物開不出花來，就會滅種。
這對於植物繁衍「有害」的性狀，卻受到人工選育的青睞。
「結球蔬菜的葉球擁有更脆嫩的質地，口感也更好，而且便於機械化收穫、易存儲、貨架期長，因此結球生菜深受市場喜愛，佔整個生菜產量和消費的一半以上，有些地方還靠種植結球生菜來脫貧致富。研究結球生菜具有現實意義。」匡漢暉說。
然而，這條路並不好走。幾十年來，國內外科學家都在開展相關研究，但關於蔬菜結球的秘密卻一直未能破解。
「原因在於，結球是多基因控制的數量性狀，這就導致我們難以尋覓蹤跡。」論文共同第一作者、華中農業大學園藝林學學院博士畢業生嚴承歡在接受《中國科學報》採訪時說。
不僅如此，和一些傳統蔬菜相比，結球生菜更易受環境影響，比如光照、溫度等因素都可能會影響結球表型。這些因素造成其遺傳研究非常困難，此前一直沒能找到葉球形成的遺傳調控基因。
找到基因 完成雙驗證
想要找到這個「主角」談何容易。課題組選用結球生菜與羅馬生菜進行雜交獲得F1代後，進一步自交獲得F2群體。
課題組成員對F2群體的結球表型進行分析發現，群體中結球性狀由緊密結球到完全不結球的連續分布，表明該遺傳群體中結球是一個數量遺傳性狀。
為了突破數量遺傳性狀由多基因控制的研究障礙，就需要在短期內進行單基因化。這就相當於要把一個多維空間「降成」一維，其中的艱難可想而知。
「通過比較結球和不結球性狀在遺傳上的差異，我們在生菜的4號和7號染色體上發現了兩個主效的結球位點，並將其命名為LHL1和LHL2。對這兩個位點分別單基因化及遺傳定位，結果發現LHL2位點效應更強。
論文中我們選擇了這個位點進行進一步研究，將其鎖定在了一個約450kb的區域，對這個區域進行基因注釋發現，該區域共編碼有11個基因。」嚴承歡介紹。
其中，一個玉米KN1基因的同源基因引起了課題組的注意，也就是LsKN1。在玉米中，KN1基因是控制植物莖尖分身組織發育的基因。
實際上，LsKN1基因並不是結球生菜獨有的，它在所有生菜和萵筍裡都有。因為變異才導致結球，而變異則是由一個轉座子引起的。
課題組發現，結球生菜中該基因的第一個外顯子中插入了一個轉座子，轉座子的插入讓LsKN1基因的表達量顯著上調，而沒有插入這個轉座子的生菜則不結球。
因此，他們認定，LsKN1基因就是苦苦尋找的那個可以控制結球性狀的關鍵。
找到這個候選基因後，另一個重要的工作是進行「功能驗證」。結球蔬菜的遺傳轉化非常難做，課題組在這項工作上耗費了大量精力和時間。
「通過遺傳轉化互補實驗，我們發現這個基因能夠完全互補生菜的結球表型。進一步，我們構建了該基因的敲除突變體，其表型由結球變為完全不結球。」
論文共同第一作者、華中農業大學園藝林學學院博士後餘長春告訴《中國科學報》，遺傳轉化互補實驗和敲除實驗都驗證了該基因是生菜中控制結球的關鍵基因。
品種選育「私人訂製」
結球表型是一個非常重要的性狀。除了菊科中的生菜和菊苣，生活中常見的結球蔬菜還有十字花科的甘藍、白菜、孢子甘藍。
「用我們的方法去解析蔬菜結球的性狀，是一個比較好的模式，可以為甘藍、白菜、孢子甘藍等其他結球蔬菜的相關研究提供參考。」嚴承歡說。
葉子有背面和腹面，兩者的作用和結構也不一樣。課題組通過石蠟切片分析發現，不結球生菜葉片近軸面細胞排列整齊、緊密，而遠軸面細胞排列鬆散，表現為明顯的背腹性分化。
與此相反，結球生菜近、遠軸細胞相似，無明顯的背腹性分化。這說明葉片的背腹性發育參與了生菜結球性狀的形成。
「對結球性機理的研究可以說是對整個植物葉片發育理論研究的一個補充，起到了『添磚加瓦』的作用。」餘長春指出。
在生產過程中，結球生菜其實比較「矯情」。結球生菜對溫度非常敏感，冬天結球狀態很好，但容易「過火」，結出的球非常緊實，而到了夏天常常會結球「失敗」，這讓農民很是苦惱。
「克隆了調控結球的關鍵基因後，我們可以利用這個基因來輔助結球生菜品種的育種工作，甚至可以精準控制葉球的鬆緊度，真正實現結球生菜的『私人訂製』。」
匡漢暉表示，這對整個結球蔬菜品種選育都具有一定的指導意義。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1073/pnas.2019698117