棉花是重要的天然纤维经济作物,在全球广泛种植。今天给大家推荐的这篇文章是近日中棉所杜雄明老师团队与河南大学苗雨晨、蔡应繁老师团队合作解析的最新研究成果“Large-fragment insertion activates gene GaFZ (Ga08G0121), and is associated with the fuzz and trichome reduction in cotton (Gossypium arboreum)”,该研究报道了一个新的棉花种子短绒/叶茸毛调控因子,并阐述其遗传机制,最终该成果发表在国际知名期刊Plant Biotechnology Journal(最新IF=8.154)。

研究背景

棉花纤维是棉花种子上的表皮毛,根据其长度可以分为长绒(Lint)和短绒(Fuzz)。目前大多数研究集中在长绒上,关于短绒的遗传机制研究较少,对短绒的研究有利于全面了解棉花纤维的发育机制,在棉花种子生产过程中,无短绒棉花材料的种子生产可以免去强酸脱绒环节,对环境保护也有重要意义。

研究内容

本研究通过对215份亚洲棉自然群体的种子短绒和无茸毛性状进行全基因组关联分析(GWAS),鉴定得到位于A08染色体末端的一个长度为6.2 kb的插入片段与短绒和叶茸毛表型显著相关,并发现该片段可能扮演远端增强子角色,可以特异激活其下游短绒发育关键基因GaFZ的表达。同时,在拟南芥和陆地棉中过表达GaFZ基因,发现GaFZ基因负调控短绒和叶茸毛的发育。进一步共表达和互作分析显示,GaFZ基因可能通过抑制超长链脂肪酸伸长途径中的基因表达来影响短绒和叶茸毛的发育。

主要结果

1. larINDELFZ与棉花种子短绒和叶茸毛性状显著相关

本研究中,作者利用215份亚洲棉自然群体,在前人基于SNP标记的GWAS基础上(Du et al. 2018),基于SV(结构变异)标记对种子短绒和叶茸毛性状进行GWAS,鉴定得到位于A08染色体末端的一个非编码插入片段larINDELFZ与短绒和叶茸毛表型显著相关(图1a, b);连锁不平衡分析发现,在关联区域有4个连锁不平衡(LD)位点,SNPFZ不位于这些位点内(图1c, d);对SNPFZ和larINDELFZ基因型与种子短绒的相关性进行研究,发现只有larINDELFZ基因型与无茸毛表型高度相关(图1e)。以上结果表明,插入片段larINDELFZ与种子短绒和叶茸毛性状显著相关。

图1 larINDELFZ与棉花种子短绒和叶茸毛性状显著相关

2. larINDELFZ遗传结构及其与种子短绒和叶茸毛的相关性

为了验证插入片段larINDELFZ,作者利用19个重叠引物在具有代表性的短绒和无绒材料(GA0146和GA0149)中进行序列分析,发现短绒材料中有一个大小为6226 bp的插入片段larINDELFZ(图2a);进一步分析发现,该插入片段由一个约5 kb的重复序列和一个约1.2 kb的易位片段组成(图2b);作者在GWAS群体以及GA0146和GA0149构建的包含1212单株的F2群体中分析larINDELFZ和表型的相关性,结果表明,位于亚洲棉第8染色体上的6226 bp的larINDELFZ与种子短绒和叶茸毛显著相关(图2c)。

 图2 larINDELFZ的遗传机制


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.larINDELFZ是激活GaFZ表达的关键调控增强子

作者对关联区域内8个基因的表达模式分析,发现在短绒发育起始阶段,无绒材料中GaFZ基因表达显著高于短绒材料(图3a);从GWAS群体中随机挑选各6个短绒和无绒材料进行基因和启动子序列分析,发现larINDELFZ存在于所有的无绒材料中(图3b, c);荧光素酶活性分析实验结果表明,larINDELFZ可能扮演远端增强子角色特异激活其下游短绒发育关键基因的GaFZ 表达(图3d, e)

 图3 larINDELFZ激活GaFZ基因表达

4.GaFZ基因转基因植株的表现

为了进一步验证GaFZ基因的功能,作者分别在拟南芥和有短绒的陆地棉中过表达GaFZ基因,发现转基因拟南芥叶茸毛的发育收到了明显的抑制,同时转基因棉花株系的茎毛、叶茸毛和短绒的发育也均受到了不同程度的抑制(图a-h);但是,转基因棉花和拟南芥中根毛的数量均没有发生变化;qRT-PCR分析显示,过表达株系中GaFZ基因显著高于野生型(图4i-j);结果表明,GaFZ基因可以抑制叶茸毛和短绒纤维的发育,而对根毛的发育没有抑制作用。

 图4 GaFZ基因转基因棉花的表现

5.GaFZ基因调控亚洲棉短绒发育的遗传机制

作者进一步在短绒和无绒棉花材料和过表达的拟南芥材料中分析全基因共表达谱,在拟南芥和棉花的短绒关键发育阶段,共鉴定出1343个和367个差异表达基因,这些基因主要参与次生代谢,如脂肪酸伸长和角质、栓质和蜡质的生物合成;结合互作分析发现,GaFZ基因可能通过抑制超长链脂肪酸伸长途径中关键基因的表达,进一步抑制脂肪酸延伸的下游途径,从而影响短绒/叶茸毛的发育。作者基于基因功能分析,提出了一个亚洲棉短绒发育的可能机制(图5)。

 图5 larINDELFZ调控亚洲棉短绒发育的可能机制

总结

本研究基于SV大片段结构变异进行全基因组关联分析,鉴定了一个6.2 kb的非编码插入片段larINDELFZ及其对棉花种子短绒和叶茸毛表型的影响,并通过转基因功能验证、共表达和互作分析,系统揭示了GaFZ基因的调控棉纤维短绒发育的遗传机制,综上所述,本研究为深入研究棉花非编码序列的生物学功能提供了新的思路。

参考文献

Wang X, Miao Y, Cai Y, et al. Large-fragment insertion activates gene GaFZ (Ga08G0121), and is associated with the fuzz and trichome reduction in cotton (Gossypium arboreum). Plant Biotechnol J. 2020 Dec 28.
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