近日，北京林業(yè)大學(xué)張德強(qiáng)教授課題組在New Phytologist發(fā)表的題為“Temporal dynamics of genetic architecture governing leaf development in Populus”的研究論文。
該研究通過引入葉片發(fā)育的時(shí)間維度表型數(shù)據(jù)，通過動(dòng)態(tài)全基因組關(guān)聯(lián)分析，系統(tǒng)解析了楊樹葉片發(fā)育的遺傳調(diào)控機(jī)制。研究結(jié)果不僅填補(bǔ)了多年生林木葉片發(fā)育遺傳基礎(chǔ)不清的空白，也為突破性林木良種選育提供關(guān)鍵理論指導(dǎo)。
葉片是植物光合作用的主要場(chǎng)所，也是探索植物器官發(fā)育機(jī)理良好模式。據(jù)研究表明，葉片發(fā)育是細(xì)胞增值與擴(kuò)張協(xié)同作用的多階段連續(xù)過程，因此，系統(tǒng)解析發(fā)育過程的遺傳基礎(chǔ)，揭示關(guān)鍵調(diào)控基因動(dòng)態(tài)參與不同階段的分子機(jī)理，是深入理解葉片發(fā)育機(jī)制的關(guān)鍵。
研究人員以一年生毛白楊種質(zhì)資源群體為材料，連續(xù)追蹤葉片在14個(gè)發(fā)育時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，并通過回歸模型擬合發(fā)育軌跡，精準(zhǔn)捕獲生長(zhǎng)速率變化等葉片發(fā)育的典型特征。進(jìn)一步聯(lián)合葉片14個(gè)發(fā)育時(shí)間點(diǎn)樣本的轉(zhuǎn)錄組聚類結(jié)果與細(xì)胞學(xué)形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，楊樹葉片發(fā)育可分為細(xì)胞增殖、細(xì)胞增殖向擴(kuò)張轉(zhuǎn)變和細(xì)胞擴(kuò)張三個(gè)階段，其葉片發(fā)育曲線的變化與發(fā)育階段的轉(zhuǎn)變高度一致（圖1）。
圖1 葉片時(shí)間序列表型變異及轉(zhuǎn)錄組聚類
研究人員基于群體重測(cè)序數(shù)據(jù)和時(shí)間維度表型數(shù)據(jù)開展全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)在毛白楊全基因組鑒定到42個(gè)參與特定發(fā)育階段的基因和18個(gè)參與多個(gè)發(fā)育階段的基因中，PtoGRF9（Growth regulating factor 9，生長(zhǎng)調(diào)控因子9）位于共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的核心，是調(diào)控葉片發(fā)育的關(guān)鍵基因。同時(shí)，通過序列分析發(fā)現(xiàn)，PtoGRF9外顯子區(qū)域存在一個(gè)顯著SNP（Single nucleotide polymorphism，單核苷酸多態(tài)性）位點(diǎn)，其突變減弱了miR396a對(duì)PtoGRF9轉(zhuǎn)錄本的剪切效率，導(dǎo)致毛白楊群體內(nèi)不同個(gè)體間葉片表型性狀的顯著分化。
研究結(jié)果顯示，基于PtoGRF9轉(zhuǎn)基因株系葉片的生長(zhǎng)曲線擬合結(jié)果與細(xì)胞學(xué)分析證明，PtoGRF9主要參與葉片細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)變階段的調(diào)控（圖2）。進(jìn)一步通過酵母單雜交、EMSA和雙熒光素酶實(shí)驗(yàn)證明，PtoGRF9通過在細(xì)胞增殖階段激活PtoHB21的表達(dá)，在轉(zhuǎn)變階段抑制PtoLD的表達(dá)，最終負(fù)調(diào)控葉片發(fā)育。
圖2 PtoGRF9抑制葉片發(fā)育過程中的細(xì)胞增殖
據(jù)了解，該研究揭示了楊樹葉片發(fā)育的群體遺傳變異規(guī)律，解析了PtoGRF9在楊樹葉片發(fā)育中的功能機(jī)制，構(gòu)建了葉片發(fā)育的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為認(rèn)識(shí)多年生林木葉片發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)提供了新見解。
近日，北京林業(yè)大學(xué)張德強(qiáng)教授課題組在New Phytologist發(fā)表的題為“Temporal dynamics of genetic architecture governing leaf development in Populus”的研究論文。
該研究通過引入葉片發(fā)育的時(shí)間維度表型數(shù)據(jù)，通過動(dòng)態(tài)全基因組關(guān)聯(lián)分析，系統(tǒng)解析了楊樹葉片發(fā)育的遺傳調(diào)控機(jī)制。研究結(jié)果不僅填補(bǔ)了多年生林木葉片發(fā)育遺傳基礎(chǔ)不清的空白，也為突破性林木良種選育提供關(guān)鍵理論指導(dǎo)。
葉片是植物光合作用的主要場(chǎng)所，也是探索植物器官發(fā)育機(jī)理良好模式。據(jù)研究表明，葉片發(fā)育是細(xì)胞增值與擴(kuò)張協(xié)同作用的多階段連續(xù)過程，因此，系統(tǒng)解析發(fā)育過程的遺傳基礎(chǔ)，揭示關(guān)鍵調(diào)控基因動(dòng)態(tài)參與不同階段的分子機(jī)理，是深入理解葉片發(fā)育機(jī)制的關(guān)鍵。
研究人員以一年生毛白楊種質(zhì)資源群體為材料，連續(xù)追蹤葉片在14個(gè)發(fā)育時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，并通過回歸模型擬合發(fā)育軌跡，精準(zhǔn)捕獲生長(zhǎng)速率變化等葉片發(fā)育的典型特征。進(jìn)一步聯(lián)合葉片14個(gè)發(fā)育時(shí)間點(diǎn)樣本的轉(zhuǎn)錄組聚類結(jié)果與細(xì)胞學(xué)形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，楊樹葉片發(fā)育可分為細(xì)胞增殖、細(xì)胞增殖向擴(kuò)張轉(zhuǎn)變和細(xì)胞擴(kuò)張三個(gè)階段，其葉片發(fā)育曲線的變化與發(fā)育階段的轉(zhuǎn)變高度一致（圖1）。
圖1 葉片時(shí)間序列表型變異及轉(zhuǎn)錄組聚類
研究人員基于群體重測(cè)序數(shù)據(jù)和時(shí)間維度表型數(shù)據(jù)開展全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)在毛白楊全基因組鑒定到42個(gè)參與特定發(fā)育階段的基因和18個(gè)參與多個(gè)發(fā)育階段的基因中，PtoGRF9（Growth regulating factor 9，生長(zhǎng)調(diào)控因子9）位于共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的核心，是調(diào)控葉片發(fā)育的關(guān)鍵基因。同時(shí)，通過序列分析發(fā)現(xiàn)，PtoGRF9外顯子區(qū)域存在一個(gè)顯著SNP（Single nucleotide polymorphism，單核苷酸多態(tài)性）位點(diǎn)，其突變減弱了miR396a對(duì)PtoGRF9轉(zhuǎn)錄本的剪切效率，導(dǎo)致毛白楊群體內(nèi)不同個(gè)體間葉片表型性狀的顯著分化。
研究結(jié)果顯示，基于PtoGRF9轉(zhuǎn)基因株系葉片的生長(zhǎng)曲線擬合結(jié)果與細(xì)胞學(xué)分析證明，PtoGRF9主要參與葉片細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)變階段的調(diào)控（圖2）。進(jìn)一步通過酵母單雜交、EMSA和雙熒光素酶實(shí)驗(yàn)證明，PtoGRF9通過在細(xì)胞增殖階段激活PtoHB21的表達(dá)，在轉(zhuǎn)變階段抑制PtoLD的表達(dá)，最終負(fù)調(diào)控葉片發(fā)育。
圖2 PtoGRF9抑制葉片發(fā)育過程中的細(xì)胞增殖
據(jù)了解，該研究揭示了楊樹葉片發(fā)育的群體遺傳變異規(guī)律，解析了PtoGRF9在楊樹葉片發(fā)育中的功能機(jī)制，構(gòu)建了葉片發(fā)育的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為認(rèn)識(shí)多年生林木葉片發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)提供了新見解。
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-2-2327-0.html楊樹葉片如何長(zhǎng)大？我國(guó)科學(xué)家找到關(guān)鍵基因PtoGRF9
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