华中农业大学匡汉晖团队在生菜掌状缺刻叶片

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课题组在PlantBiotechnologyJournal杂志上发表题为“TheupregulatedLsKN1genetransformspinnatelytopalmatelylobedleavesthroughauxin,gibberellin,andleafdorsiventralitypathwaysinlettuce”的研究论文，该论文阐明了生菜叶片由羽状缺刻转变为掌状缺刻的遗传和分子机理。

生菜是世界上最重要的绿叶蔬菜之一。叶形是叶用蔬菜的重要农艺性状。叶片缺刻是生菜一个重要的形态多态性，包含羽状缺刻和掌状缺刻（图1a），但生菜羽状缺刻和掌状缺刻形成的遗传和分子机理仍不清楚。

华中农业大学莴苣团队通过构建双亲分离群体，并利用BSR-Seq分析发现，生菜的掌状缺刻由多基因控制。对其中一个主效QTL进行深入研究，成功定位在2号染色体约0.4Mb的区间内（图1b,1c），其中包含一个编码KNOX家族转录因子的基因LsKN1。序列分析发现掌状缺刻亲本中该基因的第一个外显子上存在一个3,bp的CACTA转座子插入（图1d）。CACTA转座子插入导致LsKN1基因的转录本截短，但截短的蛋白中仍保留了KNOXI、KNOXII及Homeobox等重要结构域。同时，转座子的插入大大提高了该基因的表达量（图1e）。互补实验及CRISPR/Cas9敲除实验验证了上调表达的LsKN1使生菜由羽状缺刻转变为掌状缺刻。

图1：生菜掌状缺刻调控基因LsKN1的遗传克隆

我们前期的研究表明，LsKN1基因中CACTA转座子的插入导致的基因上调表达是生菜结球形成的必要条件（Yuetal.,,PNAS）。而在本研究中，LsKN1的上调表达导致掌状缺刻。进一步的遗传分析发现，LsKN1上调表达产生的表型取决于遗传背景，而且分子调控路径也不尽相同。

本研究发现LsKN1通过多条途径调控生菜叶片的掌状缺刻。CUC类基因是叶片缺刻、锯齿形成的关键基因。ChIP-seq、EMSA、LUC等实验显示LsKN1直接激活LsCUC3、间接激活LsCUC2b，进而促进掌状缺刻叶片的发育。LsKN1可以与LsPID的启动子特异结合，通过调控生长素的极性运输促进掌状缺刻的形态建成（图2a-i）,喷施生长素可促进掌状叶片的形成，而喷施生长素极性运输抑制剂则可使掌状缺刻变成羽状缺刻。与之相反，LsKN1通过抑制赤霉素的生物合成促进掌状缺刻叶片的发育（图2j-o）。LsKN1还与调控叶片背腹性的基因LsAS1特异结合并沉默其表达，促进掌状缺刻叶片的发育。综上，上调表达的LsKN1基因通过生长素、赤霉素和叶片背腹性等多条途径调控生菜掌状缺刻叶片的发育。

图2：LsKN1通过调控生长素及赤霉素途径促进掌状缺刻叶片形成

本研究由园艺植物生物学教育部重点实验室莴苣研究团队与加州大学戴维斯分校合作完成，匡汉晖教授为通讯作者，博士研究生王梦露为第一作者，陈炯炯副教授、余长春副研究员、王昕研究员和张维奕博士参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

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