豌豆经典卷须突变体调控基因的研究进展

豌豆是世界第四大食用豆类作物，在全世界广泛种植，被称为“三营养”作物，具有养人、养畜和养地的重要作用，在中国的栽培历史超过2000年。自孟德尔利用豌豆开展遗传杂交实验以来，豌豆就是最早研究复叶发育的模式植物。豌豆中已鉴定到多个经典的叶突变体，包括Unifoliata(uni)、afila(af)、tendril-less(tl)、cocholeata(coch)、stipule reduced(st)等。豌豆的叶型主要包括普通叶型（由卷须、小叶和托叶构成）、无须叶型、全卷须型、碎叶型四种。无须叶型是生产菜用豌豆尖的理想株型（如“云豌1号”），已知是由于其TL基因（编码一个HD-Zip I转录因子）发生突变。全卷须型则是生产干豌豆的理想叶型，该突变于1953年首次描述（Kujala等）。1970年代，豌豆育种家引入af 突变开发了“半无叶”豌豆品种，该突变特征是所有小叶转化为卷须分枝，但保留了一对正常的托叶。“半无叶”株型具有诸多优点，如无需搭架、耐密植、抗倒伏、减少叶片遮荫、不利于病虫害繁殖、具有显著的早熟性、能够在不同气候下种植、适合培育秋季播种的耐寒品种等。半个世纪以来af“半无叶”突变在全世界广泛应用，然而迄今为止AF基因位点尚未得到克隆。

中国科学院西双版纳热带植物园（以下简称“版纳植物园”）植物功能基因研究组近期以MutationsofPsPALM1a and PsPALM1b associated with the afila PhenotypeinPea为题发表在植物生理学经典期刊physiologia plantarum上的研究成果初步解析了该经典的豌豆叶型调控基因座。对afila突变体进行表型统计分析发现，该突变体复叶的基部侧小叶全部被转化为卷须分枝，而顶部的卷须结构相比野生型没有显著变化。利用常规PCR和测序分析进行精细定位发现，AF基因座高度关联到两个串联排列的PsPLAM1a和PsPLAM1b基因，它们都编码C2H2的锌指蛋白转录因子，与已报道的蒺藜苜蓿PALM1、鹰嘴豆MPL1和耧斗菜POP为直系同源基因；在af突变体中包含PsPLAM1a和PsPLAM1b的基因座发生了复杂的大片段的缺失。进一步原位杂交显示PsPALM1a和PsPALM1b在早期复叶原基基部小叶原基中特异性高表达，而在复叶原基顶部（将来发育为卷须的区域）和托叶原基低表达。通过VIGS介导PsPALM1a和PsPALM1b的基因沉默能促使基部的侧小叶被转化为卷须。此外，研究还发现类似于蒺藜苜蓿和鹰嘴豆，PsPALM1a和PsPALM1b基因也是通过抑制LFY同源基因UNI的时空表达模式来决定复叶基部小叶的命运。与野生型相比，af突变体中UNI(PsLFY)在茎尖和复叶原基中的表达量都显著上调。原位杂交显示野生型复叶原基基部侧小叶原基一旦起始，其UNI的表达立即被抑制；而af复叶原基早期从基部起始的新的原基也能检测到很强的UNI信号。

该研究发现了豌豆经典突变体afila的候选突变基因是PsPALM1a和PsPALM1b，进一步明晰了保守的分子调控模块AF-UNI（豌豆）/MPL1-CaLFY（鹰嘴豆）/PALM1-SGL1（蒺藜苜蓿）是如何介导不同的复叶形态建成的，这为理解自然界复叶形态多样性的形成机制提供了新的启发，同时也为豌豆半无叶性状的分子育种和遗传改良提供了重要的理论指导和基因资源。

版纳植物园植物功能基因研究组硕士研究生袁焯为该论文的第一作者，贺亮亮副研究员为该论文的通讯作者。 版纳植物园博士研究生谢晓婷、西南林业大学硕士研究生刘明丽、课题组成员何业昕也参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院先导、“西部之光”交叉团队、云南省“兴滇英才”、云南省基础研究计划等项目支持。

图. PsPALM1a/PsPALM1b、UNI和TL之间的调控关系。(A-B) 野生型和af突变体的SAM-P4和P5~P6叶原基中UNI的mRNA表达水平的RT-qPCR分析。 (C-F)野生型茎顶端和不同发育阶段叶原基UNI的RNA原位杂交 。(G-J) af突变体茎顶端和不同发育阶段叶原基UNI的RNA原位杂交。(K) af与tl的遗传互作。 (K) UNI、TL和PsPALM1a/PsPALM1b表达模式及其在野生型中P2、P3和P4-P5叶原基中的调控关系模型。