【項目案例】亞洲棉無短絨性狀的遺傳機制研究 | Plant Biotechnol J.

1.?larINDEL_FZ與棉花種子短絨和葉茸毛性狀顯著相關

本研究中，作者利用215份亞洲棉自然群體，在前人基于SNP標記的GWAS基礎上（Du et al.?2018），基于SV（結構變異）標記對種子短絨和葉茸毛性狀進行GWAS，鑒定得到位于A08染色體末端的一個非編碼插入片段larINDEL_FZ與短絨和葉茸毛表型顯著相關（圖1a, b）；連鎖不平衡分析發(fā)現(xiàn)，在關聯(lián)區(qū)域有4個連鎖不平衡(LD)位點，SNP_FZ不位于這些位點內（圖1c, d）；對SNP_FZ和larINDEL_FZ基因型與種子短絨的相關性進行研究，發(fā)現(xiàn)只有l(wèi)arINDEL_FZ基因型與無茸毛表型高度相關（圖1e）。以上結果表明，插入片段larINDEL_FZ與種子短絨和葉茸毛性狀顯著相關。

圖1 larINDEL_FZ與棉花種子短絨和葉茸毛性狀顯著相關

2.?larINDEL_FZ的遺傳結構及其與種子短絨和葉茸毛的相關性

為了驗證插入片段larINDEL_FZ，作者利用19個重疊引物在具有代表性的短絨和無絨材料（GA0146和GA0149）中進行序列分析，發(fā)現(xiàn)短絨材料中有一個大小為6226 bp的插入片段larINDEL_FZ（圖2a）；進一步分析發(fā)現(xiàn)，該插入片段由一個約5?kb的重復序列和一個約1.2?kb的易位片段組成（圖2b）；作者在GWAS群體以及GA0146和GA0149構建的包含1212單株的F₂群體中分析larINDEL_FZ和表型的相關性，結果表明，位于亞洲棉第8染色體上的6226?bp的larINDEL_FZ與種子短絨和葉茸毛顯著相關（圖2c）。

?圖2 larINDEL_FZ的遺傳機制

3.larINDEL_FZ是激活GaFZ表達的關鍵調控增強子

作者對關聯(lián)區(qū)域內8個基因的表達模式分析，發(fā)現(xiàn)在短絨發(fā)育起始階段，無絨材料中GaFZ基因表達顯著高于短絨材料（圖3a）；從GWAS群體中隨機挑選各6個短絨和無絨材料進行基因和啟動子序列分析，發(fā)現(xiàn)larINDEL_FZ存在于所有的無絨材料中（圖3b, c）；熒光素酶活性分析實驗結果表明，larINDEL_FZ可能扮演遠端增強子角色特異激活其下游短絨發(fā)育關鍵基因的GaFZ?表達（圖3d, e）

?圖3 larINDEL_FZ激活GaFZ基因表達

4.GaFZ基因轉基因植株的表現(xiàn)

為了進一步驗證GaFZ基因的功能，作者分別在擬南芥和有短絨的陸地棉中過表達GaFZ基因，發(fā)現(xiàn)轉基因擬南芥葉茸毛的發(fā)育收到了明顯的抑制，同時轉基因棉花株系的莖毛、葉茸毛和短絨的發(fā)育也均受到了不同程度的抑制（圖a-h）；但是，轉基因棉花和擬南芥中根毛的數(shù)量均沒有發(fā)生變化；qRT-PCR分析顯示，過表達株系中GaFZ基因顯著高于野生型（圖4i-j）；結果表明，GaFZ基因可以抑制葉茸毛和短絨纖維的發(fā)育，而對根毛的發(fā)育沒有抑制作用。

?圖4 GaFZ基因轉基因棉花的表現(xiàn)

5.GaFZ基因調控亞洲棉短絨發(fā)育的遺傳機制

作者進一步在短絨和無絨棉花材料和過表達的擬南芥材料中分析全基因共表達譜，在擬南芥和棉花的短絨關鍵發(fā)育階段，共鑒定出1343個和367個差異表達基因，這些基因主要參與次生代謝，如脂肪酸伸長和角質、栓質和蠟質的生物合成；結合互作分析發(fā)現(xiàn)，GaFZ基因可能通過抑制超長鏈脂肪酸伸長途徑中關鍵基因的表達，進一步抑制脂肪酸延伸的下游途徑，從而影響短絨/葉茸毛的發(fā)育。作者基于基因功能分析,提出了一個亞洲棉短絨發(fā)育的可能機制（圖5）。

?圖5 larINDEL_FZ調控亞洲棉短絨發(fā)育的可能機制