青島農業大學張忠華團隊發現調控葫蘆科植物苦味素合成的新基因
2022-02-23 來源：BioArt植物 閱讀量：3688
評論：0
2022年2月19日，青島農業大學園藝學院張忠華教授團隊在Horticulture Research在線發表了題為Comparative genomics analysis of bHLH genes in cucurbits identifies a novel gene regulating cucurbitacin biosynthesis的研究論文，該研究對黃瓜、甜瓜、西瓜、葫蘆、冬瓜、苦瓜和南瓜七個葫蘆科作物的bHLH轉錄因子進行比較基因組學分析，闡明了這類基因的演化歷史，發現了一個調控苦味物質生物合成的新基因，對深入解析這些基因的功能提供了重要信息。 bHLH轉錄因子在真核生物中廣泛存在，是植物中最大的轉錄因子基因家族之一，在植物發育、生理過程和次級代謝中發揮重要作用。該團隊之前發現一個包含多個bHLH轉錄因子串聯復制的基因簇（Bt簇），它們調控葫蘆科作物不同組織中葫蘆素的生物合成（Science，2014；Nature Plants，2016）。然而，這些bHLH基因如何演化形成以及功能如何分化仍未得到解答，大部分bHLH基因的功能需要進一步解析。 該研究在黃瓜、甜瓜、西瓜、葫蘆、冬瓜、苦瓜和南瓜七種葫蘆科作物中鑒定了1,160個bHLH基因，闡明了不同葫蘆科作物該類基因的特征和分布，確定了這些 bHLH基因在不同作物之間的對應關系（圖1），并揭示了bHLH串聯重復基因的特征和潛在功能。 更為有趣的是，該研究通過對調控苦味物質葫蘆素生物合成的Bt基因簇進行了同源性分析和系統發生樹分析，發現該簇基因來源于葫蘆科共有的全基因組四倍體化事件后的三個祖先基因（圖2）。在此基礎上，還發現了一個與Bt簇旁系同源的新保守基因簇，其包括兩個串聯重復的bHLH基因，旁系同源簇中的這兩個基因的進化關系和基因表達特征暗示其中一個基因 (Brp) 在根中參與調控葫蘆素生物合成（圖2），通過生化實驗和甜瓜發根轉基因實驗進一步證實Brp確實具有該功能（圖3）。該研究為進一步研究bHLH轉錄因子的功能提供了重要信息，并為葫蘆科作物和其他植物中葫蘆素生物合成調控提供了新見解。 該成果由中國農業科學院蔬菜花卉研究所、青島農業大學和中國農業科學院農業基因組研究所等多家單位協作完成。中國農業科學院蔬菜花卉研究所博士生許愿超為該文第一作者，青島農業大學園藝學院張忠華教授為通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和山東省人民政府“泰山學者”支持。 張忠華教授長期從事葫蘆科作物比較基因組學研究，此前闡明了主要葫蘆科作物的基因組和染色體演化規律和特征（Nature Genetics，2009；GigaScience, 2019；Nature Communications，2019；Nature Communications，2022），揭示了黃瓜、甜瓜和冬瓜等瓜類作物種質資源遺傳多樣性和馴化的遺傳基礎（Nature Genetics，2013；Nature Genetics，2019；Nature Communications，2019），并利用比較基因組等組學方法發現了多個重要性狀（苦味、全雌等）的關鍵基因（Science，2014；Nature Plants，2016；Plant Cell，2015和2021；TAG，2021；Horticulture Research，2021），該項最新的成果是利用比較基因組學推動重要性狀功能基因研究的又一深入進展，這些工作為推動瓜類作物研究進入組學時代和全基因組分子設計育種奠定了基礎。
圖1 七種葫蘆科作物中bHLH基因比較基因組分析圖2 Bt cluster的演化、分化以及功能分析
圖3 Brp基因參與調控苦味物質葫蘆素的生物合成
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/hr/uhac038
網站導航∨
