植物自然群体变异大多发生在非基因编码区，特别是内含子区域、基因间区；内含子区产生的变异是如何进行调控、怎样影响表型性状等是遗传学研究中需解决的重要问题。近年来，在动植物、特别是在人类疾病遗传变异调控研究中，关于内含子变异通过影响mRNA可变剪切、转录的作用机制被揭示。然而关于内含子变异是否能够影响其作为non-coding发挥作用、如何影响农艺性状的研究仍然非常有限。
近日，Nature Communications在线发表了中国农业大学韩振海/吴婷团队题为“Pan-genome analysis of 13 Malus accessions reveals structural and sequence variations associated with fruit traits.”的研究论文，该研究绘制了苹果属材料的泛基因组图谱，揭示了CNVs对于基因表达量的影响及挖掘了关键调控果实性状的SVs，对认识果实性状、特别是着色性状的分子遗传调控机制具有重要意义，同时为苹果育种提供了重要基因资源。
为了体现材料的代表性，该研究选择了2份苹果野生种材料和8份在果实性状上具有代表性的栽培苹果材料。综合使用PacBio和高通量染色体构象捕获（Hi-C）的组装方法，组装获得大小为661.83-668.75 Mb的基因组，contig N50s 从24.06到39.17 Mb。同时结合已发表的3个苹果属植物基因组，构建了13个苹果泛基因组，其中核心基因家族约占32.10% 到 48.72%。
为全面鉴定苹果基因组的遗传变异，该研究鉴定得到20,220 CNVs 及 317,393 SVs。综合转录组数据，部分CNVs拷贝数的增加能显著提高其基因表达量。对多个果实性状进行了结构变异的全基因组关联（SV-GWAS）分析，成功鉴定出苹果着色相关的SV；研究发现在果皮不着色种质资源中，激酶MMK2的第4内含子均存在LTR/Gypsy TE插入，而着色种质资源中MMK2的第4内含子均不存在LTR/Gypsy TE插入。进一步研究证明了MMK2可转录为non-coding RNA正调控MMK2的表达，而LTR/Gypsy TE的插入使得这段non-coding RNA对MMK2的促进作用减弱、进而影响了果皮的着色。这表明了对于发育至关重要的激酶类基因，其内含子变异以一种更为温和地方式在苹果驯化和和育种选择过程中发挥作用，加深了对苹果适应性演化机制的理解。
此外，该研究还鉴定得到了一系列同时作用于抗逆与品质性状形成的位点，为优质抗逆协同调控提供了基因储备。
该研究不仅为苹果基因组和重要性状的演化提供新见解，而且为苹果果实性状形成的重要基因挖掘和遗传育种提供了重要平台资源和信息；该研究提出的内含子变异调控机制和相关结果，也为其他作物遗传变异研究提供了重要参考。
中国农业大学吴婷教授、韩振海教授为该论文的共同通讯作者。中国农业大学博士生王婷及北京农学院已毕业硕士段诗瑶为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金（32322074）、国家自然科学基金面上项目（32072543）、国家重点研发计划（2022YFD2100100）、111计划（B17043）及中国农业大学2115人才培育计划的资助支持。
中国农业大学韩振海/吴婷课题组长期从事果树发育生物学与砧木育种研究，取得了一系列重要研究进展，在The Plant Cell、Nature Communications、EMBO Reports、Plant Physiology、The Plant Journal、Plant, Cell & Environment、Journal of Experimental Botany 、Plant& Cell Physiology等国际主流学术期刊发表论文30余篇。
月季（Rosa hybrida）是重要的观赏作物，被广泛用于切花/盆花生产、城乡绿化美化，并可作为多种化妆品、食品、药品的原料（图1）。世界范围内，月季切花产量和产值占到切花总量的1/3以上，是最重要的商品切花。在我国，月季切花的种植面积、产量和产值均居切花首位，具有举足轻重的产业地位。
图1 月季切花的现代化设施生产（左）且花瓣是构成花朵观赏性的主要器官（右）
花朵是月季的主要产品器官，由萼片、花瓣、雌雄蕊等器官构成。其中，花瓣的大小和运动共同决定了花朵的开放品质，从而直接决定了月季的观赏性和经济价值。之前的研究发现，花瓣的大小是花瓣细胞分裂和细胞扩展协同调控的结果。但是，迄今为止，对于花瓣早期发育过程中，控制细胞从分裂阶段过渡到扩展阶段的调节网络，尚不清楚。同时，对这一科学问题的解析，将可帮助我们了解植物器官大小控制的基本原理。
近日，中国农业大学高俊平教授团队在Nature Communications在线发表了题为“Petal size is controlled by the MYB73/TPL/HDA19-miR159-CKX6 module regulating cytokinin catabolism in Rosa hybrida”的研究论文，揭示了以miR159为核心的调节模块可以通过控制月季花瓣细胞中细胞分裂素的代谢，从而决定花瓣大小的新机制。
该研究以月季切花‘Samantha’为材料，通过转录组-miRNA组联合分析，发现花瓣生长过程中，进化上高度保守的miR159可以靶定和剪切细胞分裂素氧化酶/脱氢酶基因CKX6的转录本。在花瓣发育早期，细胞内高水平的miR159使得CKX6无法大量积累，从而维持了花瓣细胞内较高的细胞分裂素水平，维持细胞处于分裂状态。随着花瓣的持续发育，一个R2R3型MYB转录抑制子MYB73作为MIR159基因的直接上游调节子，可以通过其互作蛋白TOPLESS将组蛋白去乙酰酶HDA19招募至MIR159基因的启动子区域，通过组蛋白去乙酰化途径，抑制MIR159基因的表达，使花瓣细胞内miR159的水平下降，随之造成其靶基因CKX6的积累，导致细胞分裂素迅速降解，细胞进入扩展状态。通过STTM技术降低miR159的丰度，可以促进CKX6积累，加速细胞分裂素分解代谢，使得花瓣细胞数量降低，花瓣变小。相反，外源细胞分裂素处理可以促进细胞分裂，增加花瓣的细胞数量和最终大小，但会导致花瓣扩展的延缓。这些结果表明，花瓣早期发育过程中，miR159/CKX6模块对细胞分裂素水平的精细调控，决定了花瓣细胞由分裂向扩展转变的时间节点，最终控制了花瓣的大小（图2）。
综上，该研究建立了月季花瓣早期发育过程中细胞分裂-扩展转变的调控模型，为月季品种开放品质改良分子育种提供新的靶点和思路。同时，也为理解植物器官大小的早期控制提供了新的视角。
图2 月季花瓣早期发育过程中细胞分裂素的水平决定了细胞由分裂向扩展的转变
中国农业大学高俊平教授团队近年来在月季花朵开放品质形成和维持的分子机制研究中取得了一系列进展，建立了月季基因编辑体系（Journal of Integrative Plant Biology，2023）发现植物激素乙烯在月季花朵开放品质的形成和维持中发挥了关键的调节作用，一方面可以促进花瓣向外张开，加速了开放（Plant Cell，2021）；一方面，乙烯通过抑制水通道蛋白基因的表达，抑制了花瓣细胞吸水扩展（Nature Plants，2019；Plant Physiology，2008，2013），并与生长素和细胞分裂素互作，控制了花瓣的脱落和衰老（Plant Cell，2020，2021；Plant Physiology，2017，2023）。
中国农业大学的景维坤博士、公菲菲博士生以及河南农业大学的刘国芹博士为该论文的共同第一作者，高俊平教授团队的马男教授和周晓锋副教授为共同通讯作者。中国农业大学的孙小明副教授和深圳职业技术学院的李永红教授等也参与了相关工作。该项研究得到科技部重点研发专项、国家自然科学基金委重点项目、教育部“111”引智计划以及北京市科技创新与服务能力拔尖学科建设项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42914-y
长按下方二维码关注全球植物研究进展，更多精彩将会为您呈现！
