生菜叶色的遗传和分子机理研究取得进展

2019 年7 月，国际刊物《Plant Biotechnology Journal》在线发表了华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室生菜团队陈炯炯课题组题为“Characterization of four polymorphic genes controlling red leaf color in lettuce that have undergone disruptive selection since domestication”的研究论文，报道了通过正向遗传学的方法克隆到4 个调控生菜花青素合成的基因，阐明了生菜叶色的遗传和分子机理，为生菜改良和育种奠定了理论基础。

花青素是一种重要的代谢产物，能帮助植物抵抗生物和非生物逆境，它的高抗氧化活性，具有极高的保健功能。生菜作为世界上最重要的蔬菜之一，其叶色存在很大的变异。生菜叶色由多个位点调控，导致其遗传分析变得异常复杂。在本研究中，课题组利用BSA+RNA-seq 方法对一个生菜叶色分离群体进行遗传分析，鉴定到多个调控位点。通过对潜在位点构建单基因分离群体，并利用这些单基因分离群体对相关基因进行精细定位、成功克隆了4 个调控生菜叶色的基因，它们的功能得到转基因验证。这4 个基因分别编码bHLH、R2R3-MYB、R3-MYB 和WD-40。其中bHLH 和R2R3-MYB 为正调控因子，R3-MYB 和WD-40 为负调控因子。当生菜中编码bHLH 转录因子的基因发生突变时，花青素代谢途径被阻断，从而产生绿色叶片。而当另外3 个基因（R2R3-MYB，R3-MYB，WD-40）发生突变时，会促进花青素的积累，从而产生不同颜色的生菜。Y2H 发现R2R3-MYB 和R3-MYB 均能与bHLH 结合,表明R3-MYB 能竞争R2R3-MYB 与bHLH 的结合从而抑制花青素的合成。而Y2H 发现WD-40 与R2R3-MYB 之间没有互作，说明WD-40 并非通过竞争LsTTG1 来抑制花青素的合成。进一步序列分析发现WD-40 为AtRUP1/AtRUP2 的同源体，但与拟南芥的调控途径不同的是，生菜WD-40 并非通过调控HY5 来影响花青素的合成。最后通过对野生生菜和栽培生菜进行序列分析时发现这4 个基因的功能突变均发生在驯化之后，表明生菜叶色在育种过程中经历了歧化选择，即仅含有少量花青素的野生生菜通过驯化形成高花青素含量的红色生菜和不含花青素的绿色生菜。该研究利用BSA 结合高通量测序的方法，成功克隆调控复杂性状的多个基因，对其他作物复杂性状的遗传分析具有借鉴作用。本研究系统地阐明了生菜花青素积累的遗传和分子机理，为生菜叶色的选育提供了方法指导和理论依据。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13213