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园艺植物生物学教育部重点实验室番茄团队在番茄果实颜色研究中取得新进展
发布时间:2020-06-02

近日,园艺植物生物学教育部重点实验室番茄团队在New Phytologist发表题为“GREEN STRIPE, encoding methylated TOMATO AGAMOUS‐LIKE 1, regulates chloroplast development and chlorophyll synthesis in fruit”的研究论文,克隆了番茄果实颜色GS基因位点,揭示了转录因子TAGL1调控番茄果实颜色形成的分子机理。

园艺果实色彩斑斓是由于叶绿素和类胡萝卜素等色素多样性积累。番茄果实表面不均匀分布使得番茄产生条斑表型,在番茄绿熟阶段,叶绿素在果实表面差异性积累,进而绿熟期果实表面呈现绿条斑和浅绿条斑随机分布;红熟阶段番茄果实表面条斑产生,是由于果实表面类胡萝卜素不同组分及其含量差异性。色素在园艺植物果实表面差异性分布是一种普遍存在的现象,比如西瓜、梨、桃和苹果。前人通过反向遗传学方法,揭示了苹果表皮上红条斑和黄条斑产生是由于MYB10启动子甲基化差异导致其表达量差异,伴随着花青苷合成相关基因表达量发生变化,最终苹果表皮上花青苷差异性积累产生红条斑和黄条斑。同样的,前人解析了梨表皮红斑点和条纹也是由于MYB10启动子甲基化差异,目前这种基于甲基化差异的分子调控机理尚未完全清晰。

该研究中,通过对515份番茄核心种质资源性状调查,其中7份材料果实表现为条斑表型,因此条斑性状属于稀有变异,在目前育种材料中保存下来。研究团队通过全基因组关联分析(GWAS)结合连锁群体图位克隆的方法,运用表达分析和转基因等分子生物学技术,克隆并鉴定了TAGL1基因调控番茄条斑的形成。通过GWAS分析,与条斑表型相关的显著性主效SNP位于SL2.50ch07_63842838 (P=2.672960472e-256),落在TAGL1的第二内含子中。通过F1表型和F2连锁群体分离比统计,表明番茄条斑表型为隐性性状,是由单基因控制。利用图位克隆,将目标基因锁定在M63825和M63919两个标记之间,两标记物理距离大约93-Kb,有11个基因,11个基因表达量测定表明有且只有TAGL1在浅绿条斑中表达量显著性高于绿条斑。在条斑突变体gs中,利用转基因技术获得TAGL1超量转基因系和敲除系的果实都表现为无条斑表型。在绿熟阶段,相比对照gs,超量系果实表皮中叶绿素含量显著性减少,敲除系果实表皮中叶绿素含量显著性增加,这与TAGL1在浅绿条斑和绿条斑中的差异性表达相吻合。通过RNA-Seq、ChIP-Seq和双荧光素酶实验表明,TAGL1影响叶绿素合成及叶绿体发育相关基因的表达。在7份商业番茄品种及LA3530(AC背景,果实表现为条斑表型)对SNP(SL2.50ch07_63842838)分析,表明此SNP与条斑性状紧密连锁,暗示着甲基化这种表观修饰是由DNA水平上序列差异引起的。在浅绿条斑和绿条斑中进行小RNA的高通量测序,从TAGL1的第二内含子中MITE转录出来的siRNA在绿条斑中表达高于浅绿条斑,此siRNA可能参与影响TAGL1启动子甲基化。

在条斑番茄品种中,TAGL1仅在果实表达差异性表达,产生了条斑的表型,丰富了番茄果实颜色类型。针对保守的SNP,研究团队开发了标记,可以用于分子标记辅助选择育种。美高梅手机登录网站番茄课题组的博士研究生刘根忠为本文第一编辑,张余洋教授为通讯编辑。

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