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青島農(nóng)業(yè)大學(xué)張忠華團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)調(diào)控葫蘆科植物苦味素合成的新基因
2022-02-23 來源：BioArt植物 閱讀量：3688 評(píng)論：0
     2022年2月19日，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授團(tuán)隊(duì)在Horticulture Research在線發(fā)表了題為Comparative genomics analysis of bHLH genes in cucurbits identifies a novel gene regulating cucurbitacin biosynthesis的研究論文，該研究對(duì)黃瓜、甜瓜、西瓜、葫蘆、冬瓜、苦瓜和南瓜七個(gè)葫蘆科作物的bHLH轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，闡明了這類基因的演化歷史，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)調(diào)控苦味物質(zhì)生物合成的新基因，對(duì)深入解析這些基因的功能提供了重要信息。

    bHLH轉(zhuǎn)錄因子在真核生物中廣泛存在，是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子基因家族之一，在植物發(fā)育、生理過程和次級(jí)代謝中發(fā)揮重要作用。該團(tuán)隊(duì)之前發(fā)現(xiàn)一個(gè)包含多個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子串聯(lián)復(fù)制的基因簇（Bt簇），它們調(diào)控葫蘆科作物不同組織中葫蘆素的生物合成（Science，2014；Nature Plants，2016）。然而，這些bHLH基因如何演化形成以及功能如何分化仍未得到解答，大部分bHLH基因的功能需要進(jìn)一步解析。

    該研究在黃瓜、甜瓜、西瓜、葫蘆、冬瓜、苦瓜和南瓜七種葫蘆科作物中鑒定了1,160個(gè)bHLH基因，闡明了不同葫蘆科作物該類基因的特征和分布，確定了這些 bHLH基因在不同作物之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖1），并揭示了bHLH串聯(lián)重復(fù)基因的特征和潛在功能。

     更為有趣的是，該研究通過對(duì)調(diào)控苦味物質(zhì)葫蘆素生物合成的Bt基因簇進(jìn)行了同源性分析和系統(tǒng)發(fā)生樹分析，發(fā)現(xiàn)該簇基因來源于葫蘆科共有的全基因組四倍體化事件后的三個(gè)祖先基因（圖2）。在此基礎(chǔ)上，還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與Bt簇旁系同源的新保守基因簇，其包括兩個(gè)串聯(lián)重復(fù)的bHLH基因，旁系同源簇中的這兩個(gè)基因的進(jìn)化關(guān)系和基因表達(dá)特征暗示其中一個(gè)基因 (Brp) 在根中參與調(diào)控葫蘆素生物合成（圖2），通過生化實(shí)驗(yàn)和甜瓜發(fā)根轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)進(jìn)一步證實(shí)Brp確實(shí)具有該功能（圖3）。該研究為進(jìn)一步研究bHLH轉(zhuǎn)錄因子的功能提供了重要信息，并為葫蘆科作物和其他植物中葫蘆素生物合成調(diào)控提供了新見解。

    該成果由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所等多家單位協(xié)作完成。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所博士生許愿超為該文第一作者，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授為通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和山東省人民政府“泰山學(xué)者”支持。

    張忠華教授長(zhǎng)期從事葫蘆科作物比較基因組學(xué)研究，此前闡明了主要葫蘆科作物的基因組和染色體演化規(guī)律和特征（Nature Genetics，2009；GigaScience, 2019；Nature Communications，2019；Nature Communications，2022），揭示了黃瓜、甜瓜和冬瓜等瓜類作物種質(zhì)資源遺傳多樣性和馴化的遺傳基礎(chǔ)（Nature Genetics，2013；Nature Genetics，2019；Nature Communications，2019），并利用比較基因組等組學(xué)方法發(fā)現(xiàn)了多個(gè)重要性狀（苦味、全雌等）的關(guān)鍵基因（Science，2014；Nature Plants，2016；Plant Cell，2015和2021；TAG，2021；Horticulture Research，2021），該項(xiàng)最新的成果是利用比較基因組學(xué)推動(dòng)重要性狀功能基因研究的又一深入進(jìn)展，這些工作為推動(dòng)瓜類作物研究進(jìn)入組學(xué)時(shí)代和全基因組分子設(shè)計(jì)育種奠定了基礎(chǔ)。
 
圖1 七種葫蘆科作物中bHLH基因比較基因組分析
圖1 七種葫蘆科作物中bHLH基因比較基因組分析
圖2 Bt cluster的演化、分化以及功能分析
圖2 Bt cluster的演化、分化以及功能分析
圖3 Brp基因參與調(diào)控苦味物質(zhì)葫蘆素的生物合成
圖3 Brp基因參與調(diào)控苦味物質(zhì)葫蘆素的生物合成


     論文鏈接：https://doi.org/10.1093/hr/uhac038

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