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近日，中科院植物研究所研究員賀超英團隊揭示了茄科譜系特異性招募POS1類基因調(diào)控果實大小的進化機制。相關(guān)研究成果發(fā)表于《植物學(xué)雜志》。
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，由細胞數(shù)目和細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。
賀超英團隊在前期工作中發(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)變異負調(diào)控該基因的表達量，而其表達量變異與酸漿屬漿果大小的自然變異呈正相關(guān)。
最近，他們通過基因編輯、過表達等多種遺傳操作，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直系同源基因不具備該功能。
通過進一步分析，研究人員發(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）。
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。研究發(fā)現(xiàn)，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；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。
該研究闡明了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。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/tpj.15786
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