华中农大匡汉晖团队揭示生菜结球性调控新机

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王一

近日，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室匡汉晖教授团队在ThePlantCell杂志上发表了题为Loss-of-functionofSAWTOOTH1affectsleafdorsiventralitygenestopromoteleafyheadsinlettuce的研究论文，阐明了一个新的叶背腹性转录因子调控生菜结球的遗传和分子机理。

结球（叶球）是叶用蔬菜特有的表型，常见于十字花科的甘蓝、白菜、孢子甘蓝、芥菜，以及菊科的生菜和菊苣。结球蔬菜的叶片向内弯曲、层层包裹，最终形成一个叶球。结球性有利于提升口感、延长货架期、便于机械化收割和密植。结球性是由多基因控制的数量性状，且容易受环境影响，导致结球性的研究具有较大的挑战性。

本研究利用结球生菜和不结球生菜为亲本构建了结球性的F2分离群体，通过基因型筛选和自交纯化的方法得到了一个结球分离家系。在该家系中，结球和不结球表型呈质量性状分离，利用该群体对结球基因LHL1(LettuceHeadinglocus1)进行遗传定位和克隆（图A）。LHL1编码一个BEL1-LikeHomeodomain(BLH)家族的转录因子，其在拟南芥中的直系同源基因是SAW1。在结球生菜亲本中，Lssaw1基因的第一个外显子丢失了一个碱基，导致移码突变和提前终止（图C）。通过在结球生菜中超量表达LsSAW1和在不结球生菜中敲除LsSAW1验证了LsSAW1的功能丢失会导致生菜结球。

通过BSR-seq、LCM-seq和ChIP-seq分析LsSAW1转录因子的调控网络，发现Lssaw1的功能丢失改变了许多基因的背腹性表达模式。在结球生菜中，近轴基因往往下调表达，而远轴基因上调表达。LsSAW1可以直接调控多个叶背腹性基因。比如，LsSAW1结合近轴基因LsAS1的启动子区域并促进其表达，同时LsSAW1也结合远轴基因LsYAB1的启动子区域但抑制其表达。超量表达LsAS1基因可以使结球生菜变为不结球表型（图E），超量表达LsYAB1基因可以使不结球生菜的叶片向内弯曲，进而促进结球（图F）。因此，LsSAW1通过直接调控叶背腹性基因进而调控生菜结球。

进一步研究表明，LsSAW1和本课题组前期报道的生菜结球调控转录因子LsKN1存在蛋白互作(Yuetal.,,PNAS)（图G）。LsSAW1/Lssaw1的差异表达基因和LsKN1▽/LsKN1的差异表达基因之间存在显著的交集。LsSAW1的靶基因和LsKN1的靶基因也存在显著的交集，显示LsSAW1和LsKN1参与相同的叶背腹性调控网络。差异表达基因的相关性分析和双荧光素酶报告实验证明了LsSAW1与LsKN1对下游基因的调控模式相反（图H）。

图.LsSAW1调控生菜结球的遗传和分子机理。（A）生菜结球分离家系中不结球个体和结球个体的表型。（B）野莴苣、不结球生菜、结球生菜的叶片横切切片。（C）结球生菜中Lssaw1第一个外显子上丢失一个T碱基，导致翻译提前终止。（D）LsSAW1特异表达在不结球生菜叶片的近轴面。（E）超量表达LsAS1可以使结球生菜变为不结球表型。（F）超量表达LsYAB1可以使不结球生菜的叶片向内弯曲。（G）Co-IP实验证明LsSAW1和LsKN1蛋白互作。（H）差异表达基因的相关性分析证明LsSAW1与LsKN1对下游基因的调控模式相反。

综上，本研究首次发现了BLH-KNOX蛋白互作在叶背腹性调控网络中的功能，LsSAW1与LsKN1共同参与叶背腹性调控网络，并且协同调控生菜叶背腹性与结球性。本研究为结球蔬菜的育种提供了新的思路，为植物叶发育和叶背腹性调控网络的研究提供了新的基因资源。

华中农业大学园艺林学学院匡汉晖教授为通讯作者，博士生安光辉为第一作者。华中农业大学莴苣课题组多位老师和同学以及加州大学戴维斯分校的Michelmore课题组参与该研究。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

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