中科院遺傳所學(xué)者揭示不同科作物馴化，存在基因平行選擇
? 水稻是重要糧食作物，圖片來自irri.org
作物馴化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的起源，對(duì)于農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。不同作物在從野生種到栽培種的馴化過程中，一些農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出趨同馴化的現(xiàn)象，如落粒性消失、莖干直立變粗、頂端優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)、種子休眠性減弱等。
控制這些性狀的基因是否在不同物種馴化中受到平行選擇一直是進(jìn)化研究的重要科學(xué)命題。目前，基因平行選擇現(xiàn)象僅在同一個(gè)科的作物研究中被發(fā)現(xiàn)，而不同科作物馴化中基因的平行選擇仍未見報(bào)道。種子休眠是重要的馴化性狀，然而，作物馴化中受到選擇的休眠基因報(bào)道極少，被稱為“種子生物學(xué)研究中了解最少的現(xiàn)象之一”，可見其復(fù)雜性和研究難度。
2018年9月24日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜課題組、儲(chǔ)成才課題組聯(lián)合美國(guó)喬治亞大學(xué)Scott A. Jackson教授等研究團(tuán)隊(duì)，在Nature Genetics雜志在線發(fā)表了題目為“Parallel selection on a dormancy gene during domestication of crops from multiple families”的研究論文。
該論文報(bào)道了一個(gè)種子休眠調(diào)控基因在不同科作物馴化中受到平行選擇的現(xiàn)象。研究者們發(fā)現(xiàn)控制大豆種皮綠色的G基因還參與對(duì)大豆種子休眠的調(diào)控。進(jìn)一步的研究顯示，G及其同源基因在大豆、水稻和番茄的馴化過程中均受到選擇，并且在大豆、水稻和擬南芥中都參與種子休眠的調(diào)控。
通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）的方法，研究人員首次鑒定得到了特異控制大豆種皮綠色的G基因。有趣的是，隨后的研究發(fā)現(xiàn)G基因在大豆的馴化過程中受到強(qiáng)烈的選擇，并且野生大豆均為控制綠色種皮的G等位變異。由于野生大豆的綠色被黑色掩蓋，人們無法根據(jù)種皮顏色對(duì)野生大豆進(jìn)行選擇，所以研究人員推測(cè)，G還可能參與調(diào)控其他重要馴化性狀。
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化G等位變異的轉(zhuǎn)基因大豆種子休眠比對(duì)照DN50強(qiáng)，說明G參與調(diào)控種子休眠這一重要的馴化性狀。研究者還發(fā)現(xiàn)，G在水稻和番茄中的同源基因在馴化過程中也受到選擇。水稻互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證明，G在水稻的馴化同樣與種子休眠減弱相關(guān)。
此外，擬南芥中該基因的同源基因也參與種子休眠調(diào)控，且野生群體中不同單倍型在休眠特性上也存在一定差異。
圖1 種子休眠調(diào)控基因G在大豆和水稻中受到平行選擇
研究者們?cè)跀M南芥中的工作表明，G蛋白可以與ABA合成通路上的幾個(gè)關(guān)鍵酶NCED3、PSY相互作用，且突變體atg中ABA及其合成通路上的代謝物含量降低。表明G可能通過與NCED3、PSY互作調(diào)節(jié)ABA在種子中的合成和積累，從而影響種子休眠（圖2）。
圖2 G蛋白可能的工作模型
綜上所述，該研究首次報(bào)道了調(diào)控種子休眠的G基因在不同科作物馴化中受到平行選擇，這是首個(gè)被報(bào)道的在多個(gè)科作物馴化中受到平行選擇的基因。該研究不僅增加了人們對(duì)植物馴化過程的理解，還具有重要的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)人們?cè)隈Z化一個(gè)新物種時(shí)，可以首先考慮改變這些受到平行選擇的基因，優(yōu)化其調(diào)控的農(nóng)藝性狀，進(jìn)而達(dá)到加速馴化的目的。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究組王敏同學(xué)、房超博士、劉羽誠(chéng)同學(xué)與儲(chǔ)成才研究組李文振同學(xué)、徐凡博士為該論文共同第一作者。遺傳所田志喜研究員、儲(chǔ)成才研究員與美國(guó)喬治亞大學(xué)的Scott A. Jackson教授為共同通訊作者。
參考文獻(xiàn)
1. Hammer, K. Das domestikations syndrom. Kulturpflanze 32, 11–34 (1984).
2. Lin, Z. et al. Parallel domestication of the Shattering 1 genes in cereals. Nat. Genet. 44, 720–724 (2012).
3. Liu, H. et al. Parallel domestication of the Heading Date 1 gene in cereals. Mol. Biol. Evol. 32, 2726–2737 (2015).
4. Zhou, Y. et al. Convergence and divergence of bitterness biosynthesis and regulation in Cucurbitaceae. Nat. Plants 2, 16183 (2016).
5. Finch-Savage W.E. & Leubner-Metzger G. Seed dormancy and the control of germination. New Phytol. 171, 501–23 (2006).
