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茄科是經(jīng)濟價值最大的植物類群之一，也是研究漿果進化的重要代表性類群。果實大小是受多基因控制的數(shù)量性狀，由細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞大小的變化共同決定。發(fā)現(xiàn)調(diào)控果實大小變異的基因并揭示招募它們的機制是果實進化發(fā)育生物學(xué)研究重點關(guān)注的問題。
中科院植物所賀超英研究組前期工作發(fā)現(xiàn)茄科特有單拷貝基因Physalis organ size 1/cytokinin response factor 3（POS1/CRF3）的第一內(nèi)含子中一個37-bp序列重復(fù)的拷貝數(shù)變異負(fù)調(diào)控該基因的表達(dá)量，而其表達(dá)量變異與酸漿屬漿果大小的自然變異呈正相關(guān)。最近，研究人員通過基因編輯、過表達(dá)等多種遺傳操作，發(fā)現(xiàn)酸漿族（Physaleae）中毛酸漿POS1與其在辣椒中的直系同源基因（CaPOS1）可正向調(diào)控細(xì)胞大小和果實大小，而非酸漿族（如煙草屬和茄屬）的POS1直系同源基因不具這一功能。進一步分析發(fā)現(xiàn)POS1直系同源基因編碼蛋白的第68位氨基酸在非酸漿族中為組氨酸，在酸漿族中則是精氨酸，這一轉(zhuǎn)變是由譜系特異的單核苷酸多態(tài)性引起的。通過定點突變利用組氨酸替代POS1和CaPOS1中第68位的精氨酸則完全消除了它們調(diào)控果實大小的功能，同時使它們失去與鈣網(wǎng)蛋白-3（CRT3）等一系列蛋白的互作（PPIs）。
POS1調(diào)控果實大小的作用是其在酸漿族中特異co-option的結(jié)果
直系同源基因的功能通常被認(rèn)為是保守的，但是茄科POS1直系同源基因在關(guān)系密切的屬間發(fā)生了明顯的功能分化。酸漿族中POS1直系同源基因被征召來行使控制果實大小的新功能，這一進化過程被稱之為co-option。POS1基因的co-option至少包括兩個關(guān)鍵步驟：一是定向增強POS1在酸漿族祖先的花和果實中的表達(dá)；二是在新的背景下，第68位單個氨基酸由組氨酸向精氨酸的定向改變，產(chǎn)生新的PPIs。以上研究結(jié)果闡明了POS1調(diào)控果實大小的機制，揭示了co-option在POS1類基因功能進化中的作用與過程，為理解果實形態(tài)進化和產(chǎn)量控制提供了新見解和新材料。
該成果近日在線發(fā)表于The Plant Journal上。植物所王麗高級工程師為論文第一作者，賀超英研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目的資助。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/tpj.15786
來源：植物所
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