草莓是經(jīng)濟價值較高的重要水果，在世界范圍內(nèi)廣泛種植。草莓不同野生種質(zhì)和不同栽培品種之間的花序結(jié)構(gòu)存在顯著差異。根據(jù)花序柄的長短，這些花序可分為基部及頂部分枝等類型。草莓同一花序上第一個果實最大，高級次果實逐漸變小，且不同分枝類型對各級果實大小均一性影響顯著，是較為獨特的發(fā)育現(xiàn)象。然而，草莓不同花序分枝類型形成的遺傳學(xué)基礎(chǔ)仍不清楚。

近日，The Plant Cell期刊在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室/湖北洪山實驗室康春穎教授團隊題為“The Gα protein FveGPA1 regulates inflorescence architecture via the FveBRI1-mediated brassinosteroid pathway in strawberry”的研究論文。該研究在森林草莓中挖掘了調(diào)控花序形態(tài)建成的兩個關(guān)鍵基因，分別編碼異三聚體G蛋白α亞基FveGPA1和油菜素內(nèi)酯（BR）受體FveBRI1，揭示了異三聚體G蛋白與BR信號通路協(xié)同調(diào)控花序不同節(jié)間差異性伸長的分子機理。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室博士研究生祝楨瑩為該論文第一作者，康春穎教授為通訊作者。

研究團隊通過EMS誘變在森林草莓中篩選到兩個等位突變體basal-branching inflorescence 1-1（bbi1-1）和bbi1-2，呈現(xiàn)出花序柄（peduncle）顯著縮短、花柄（pedicel）顯著伸長的表型（圖1）。遺傳分析與基因克隆結(jié)果表明候選基因編碼異源三聚體G蛋白α亞基FveGPA1，定位于細胞膜?；パa實驗和CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因編輯實驗均證實了這一結(jié)果。熒光互補實驗表明FveGPA1與Gβ亞基FveAGB1互作，F(xiàn)veAGB1與Gγ亞基FveAGG3互作，說明三者可形成異源三聚體復(fù)合物。其中，agg3CR單突變體的花序柄和花柄均縮短，而花軸（rachis）幾乎完全缺失。bbi1-1 agg3CR雙突變體的花序柄進一步縮短，基部分枝類型花序比例顯著高于兩個單突變體，表明FveGPA1和FveAGG3協(xié)同調(diào)控花序形態(tài)建成。

圖1 草莓花序結(jié)構(gòu)示意圖及bbi1突變體花序表型

另外兩個等位突變體bbi2-1和bbi2-2花序表型與bbi1相似，其致突變基因編碼BR受體FveBRI1，過表達該基因?qū)е禄ū@著縮短，表型與突變體相反。bbi1-1 bbi2-1雙突變體的花序完全喪失花序柄和花軸，所有花序均為基部分枝型，表明FveGPA1和FveBRI1存在協(xié)同互作。BR處理實驗顯示，bbi1突變體幼苗的下胚軸和根長均對2,4-表油菜素內(nèi)酯（eBL）處理的敏感性顯著降低；在bbi1突變體中，BR生物合成基因FveCPD和FveBR6OX2及響應(yīng)基因FveBRH1反饋性上調(diào)，且不同BR代謝物含量顯著升高（圖2）。另外，草莓BR降解酶基因突變體cyp734a129中內(nèi)源BR含量顯著升高，cyp734a129 bbi1雙突變體的絕大部分花序為頂部分枝型，即基本挽救了bbi1的基部分枝表型。這些結(jié)果證明異三聚體G蛋白通過BR信號通路調(diào)控草莓花序形態(tài)建成。

圖2 FveGPA1通過FveBRI1介導(dǎo)的BR信號通路調(diào)控草莓花序結(jié)構(gòu)

進一步觀察發(fā)現(xiàn)FveGPA1和FveBRI1在花序發(fā)育早期即顯著影響了花序柄伸長，在成熟花序中促進花序柄的細胞分裂與擴張，卻抑制了花柄的細胞分裂與擴張，呈現(xiàn)組織特異性調(diào)控。對野生型及兩種突變體花序柄和花柄進行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)bbi1和bbi2花柄中52%差異表達基因相同，BR生物合成通路顯著富集；細胞周期基因（FveCYCP4;1a、FveCYCP2;1等）和細胞壁擴展蛋白基因（FveEXP1、FveEXP8等）在花序柄和花柄中呈現(xiàn)相反的差異表達模式。在這些差異表達基因中，轉(zhuǎn)錄因子FveKNAT6、FvePNY和FveSHI在突變體花序柄中顯著上調(diào)、在花柄中顯著下調(diào)，可能是節(jié)間伸長的負調(diào)控因子。

基于以上結(jié)果，研究團隊提出草莓花序節(jié)間差異伸長的工作模型：FveBRI1介導(dǎo)的BR通路是調(diào)控花序節(jié)間伸長的主要途徑，促進花序柄伸長、抑制花柄伸長；異三聚體G蛋白通過BR受體或下游信號元件匯聚于BR通路；FveGPA1和FveBRI1基因突變可導(dǎo)致花序從頂部分枝型轉(zhuǎn)變?yōu)榛糠种π停▓D3）。該研究首次在草莓中揭示了異三聚體G蛋白與BR通路在花序節(jié)間伸長中的組織特異性調(diào)控機制，為優(yōu)化草莓花序結(jié)構(gòu)提供了基因資源和理論依據(jù)。

圖3 FveGPA1和FveBRI1調(diào)控花序結(jié)構(gòu)的工作模型

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag134