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辰山植物園牡丹組學(xué)及種質(zhì)資源創(chuàng)新研究組在鳳丹牡丹種子發(fā)育分子機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展
芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(Paeonia)植物種子顆粒大且富含油脂，油用牡丹的栽培面積超過(guò)100萬(wàn)畝，是具有潛力的新興油料作物。鳳丹牡丹(P. ostii)是芍藥屬的多年生落葉灌木，其種子富含不飽和脂肪酸( > 91%)，特別是被喻為"液體黃金"的α -亞麻酸的含量(41%)高于大部分常見油料作物，具有重要的食用與保健價(jià)值。鳳丹牡丹作為其中栽培面積最大的代表性類群之一，盡管其具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力，但種子產(chǎn)量低和對(duì)非生物脅迫(例如干旱、洪澇等)的敏感性導(dǎo)致了產(chǎn)量與品質(zhì)波動(dòng)大，從而嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來(lái)鳳丹牡丹高質(zhì)量基因組的發(fā)表，為牡丹分子基礎(chǔ)研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，極大的推動(dòng)了牡丹分子生物學(xué)研究的整體水平。但迄今為止，關(guān)于牡丹種子發(fā)育相關(guān)功能基因的報(bào)道依然很少。
2025年11月5日，國(guó)際期刊 Industrial Crops and Products (IF=6.2，中科院1區(qū))在線發(fā)表了上海辰山植物園牡丹組學(xué)與種質(zhì)資源創(chuàng)新研究組題為“PoSCPL61 as a negative regulator of seed size in tree peony ofPaeonia ostiirevealing by genome-wide identification ofSCPLgenes and functional validation”的研究論文。文章通過(guò)全基因組與不同轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)譜分析，鑒定并功能驗(yàn)證了一個(gè)調(diào)控鳳丹種子大小的PoSCPL61基因，為提高牡丹種子產(chǎn)量及質(zhì)量提供了新的基因資源。
本研究首次在鳳丹牡丹全基因組中鑒定到126個(gè)潛在的PoSCPL基因(圖1)。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，該基因家族可分為6個(gè)亞組(IA-VI)，不同亞組中的分布并不均勻，Clade II擁有最多的基因(71個(gè))，而Clade V最少(僅有1個(gè))。SCPL基因在Clade IB中的數(shù)量比擬南芥高7倍，在Clade IV中的數(shù)量比擬南芥高4倍。這些結(jié)果表明，SCPL基因在鳳丹中發(fā)生了擴(kuò)張。
圖1. 鳳丹SCPL基因家族的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系
同時(shí)，研究人員通過(guò)種子發(fā)育6個(gè)階段(35，49，63，77，91，119DAF)、鳳丹8個(gè)組織(種子、心皮、葉子、花瓣、萼片、雄蕊、莖、根尖)以及3種非生物逆境脅迫下(干旱、水淹、高溫)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜分析，篩選到3個(gè)作為種子發(fā)育以及抗逆的關(guān)鍵參與基因：PoSCPL8、PoSCPL108與PoSCPL61。PoSPCL8在種子中特異性表達(dá);PoSCPL8與PoSCPL61在種子發(fā)育的早期高表達(dá)(35-49DAF)，后期表達(dá)量逐漸下降;而PoSCPL108在種子的整個(gè)發(fā)育階段都有較高的表達(dá)(35-119DAF)。除此之外，PoSCPL108和PoSCPL61對(duì)干旱和高溫的響應(yīng)強(qiáng)于對(duì)淹水的響應(yīng)，PoSCPL108在干旱和高溫下保持持續(xù)上調(diào)表達(dá)(圖2)。
圖2.PoSCPLs在8個(gè)組織、種子發(fā)育階段、干旱、淹水和高溫脅迫下的表達(dá)譜。(A) 8個(gè)組織，(B)種子發(fā)育6個(gè)階段，(C)干旱脅迫，(D)淹水脅迫，(E)高溫脅迫
通過(guò)RT-qPCR驗(yàn)證表明，PoSCPL8、PoSCPL108和PoSCPL61在種子6個(gè)發(fā)育階段的表達(dá)模式與RNA - seq數(shù)據(jù)一致。將PoSCPL8與PoSCPL61在煙草中表達(dá)，觀察亞細(xì)胞定位情況，結(jié)果表明：分別定位于過(guò)氧化物酶體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。通過(guò)將PoSCPL8和PoSCPL61在擬南芥中進(jìn)行過(guò)表達(dá)后，將過(guò)表達(dá)、野生型(WT)和空載(EV)株系相比，結(jié)果表明：1)過(guò)表達(dá)植株表現(xiàn)出明顯的早花表型，PoSCPL61更明顯;2)過(guò)表達(dá)PoSCPL61后種子明顯變小，而過(guò)表達(dá)PoSCPL8的種子并未有明顯變化(圖3)。
圖3. 轉(zhuǎn)基因PoSCPL8和PoSCPL61基因擬南芥的功能鑒定。(A)PoSCPL8(左)和PoSCPL61(右)載體示意圖，(B)轉(zhuǎn)基因植株表型比較，(C)轉(zhuǎn)基因種子長(zhǎng)度和寬度表型，(D)種莢數(shù)量統(tǒng)計(jì)，(E)轉(zhuǎn)基因植株中的相對(duì)表達(dá)量，(F)種子長(zhǎng)度，(G)種子寬度，(H)種子千粒重。
為了進(jìn)一步在牡丹本體驗(yàn)證PoSCPL61的功能，研究人員利用病毒誘導(dǎo)的因沉默(VIGS)抑制該基因在鳳丹葉片和種子中的表達(dá)。qRT - PCR結(jié)果表明，與TRV2空載相比，沉默TRV2-PoSCPL61后的葉片和種子中PoSCPL61的轉(zhuǎn)錄水平顯著降低。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，TRV2 - PoSCPL61沉默后的植株單個(gè)種子(長(zhǎng)度、寬度和重量)顯著增大、且果實(shí)顯著變大(圖4)?？傊?，本研究表明PoSCPL61是鳳丹牡丹種子大小的負(fù)調(diào)控因子，這對(duì)油用牡丹產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
圖4. 沉默PoSCPL61后促進(jìn)鳳丹種子變大。(A) 沉默PoSCPL61后藍(lán)光下鳳丹葉片熒光圖。(B) 沉默PoSCPL61后藍(lán)光下鳳丹種子熒光圖。(C)沉默PoSCPL61后牡丹果莢和種子的表型變化。(D) - (E) qRT-PCR分析基因表達(dá)。(F)種子長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)。(G)種子寬度統(tǒng)計(jì)。(H)種子重量統(tǒng)計(jì)。
牡丹組學(xué)與種質(zhì)資源創(chuàng)新研究組胡永紅教授級(jí)高工和袁軍輝研究員為本文共同通訊作者。上海辰山植物園與上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)2025屆碩士畢業(yè)生趙家彥、李尉濤博士(辰山)和聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生蔣鳳為論文共同第一作者。聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生張?zhí)?、閆旭博士后以及上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)秦巧平教授和劉翔副教授也參與了本項(xiàng)研究。
本研究受到上海市綠化和市容管理局科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目、上海市中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目的資助。
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