茄科POS1調控果實大小的進化機制獲揭示

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類基因調控果實大小的進化機制。相關研究成果發表於《植物學雜誌》。

茄科是經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量性狀，由細胞數目和細胞大小的變化共同決定。發現調控果實大小變異的基因並揭示招募它們的機制是果實進化發育生物學研究重點關注的問題。

賀超英團隊在前期工作中發現茄科特有單複製基因Physalis organ size 1/cytokinin response factor 3（POS1/CRF3）的第一內含子中一個37-bp序列重複的複製數變異負調控該基因的表達量，而其表達量變異與酸漿屬漿果大小的自然變異呈正相關。

最近，他們透過基因編輯、過表達等多種遺傳操作，發現酸漿族（Physaleae）中毛酸漿POS1與其在辣椒中的直系同源基因（CaPOS1）可正向調控細胞大小和果實大小，而非酸漿族（如菸草屬和茄屬）的POS1直系同源基因不具備該功能。

透過進一步分析，研究人員發現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，這一轉變是由譜系特異的單核苷酸多型性引起的。透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控果實大小的功能，同時使它們失去與鈣網蛋白-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為是保守的，但是茄科POS1直系同源基因在關係密切的屬間發生了明顯的功能分化。酸漿族中POS1直系同源基因被徵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。研究發現，POS1基因的co-option至少包括兩個關鍵步驟：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，產生新的PPIs。

該研究闡明瞭POS1調控果實大小的機制，揭示了co-option在POS1類基因功能進化中的作用與過程，為理解果實形態進化和產量控制提供了新見解和新材料。

相關論文資訊：https：//doi。org/10。1111/tpj。15786