近日，beat365下载唯一官方网园艺植物生物学教育部重点实验室匡汉晖课题组在PNAS杂志上发表题为“Upregulation of aKN1homolog by transposon insertion promotes leafy head development in lettuce”的研究论文，该论文首次报道了生菜中控制结球性状基因LsKN1的克隆，并在分子水平上阐述了LsKN1调控生菜结球的作用机制。
莴苣属于菊科，起源于地中海地区，由野生莴苣Lactuca serriola驯化而来，是非常重要的蔬菜之一。莴苣的主要栽培类型包括叶用的结球生菜和茎用的莴笋。尽管莴苣不同栽培类型之间的形态差异较大，但分化时间较短、不同类型之间杂种可育。因此，莴苣是研究植物形态发生及进化的优良材料。
植株结球是部分叶用蔬菜特有的表型，主要见于十字花科的甘蓝、白菜、孢子甘蓝，以及菊科中的生菜及菊苣。这些蔬菜叶片由外向内弯曲、层层包裹，最终形成一个由叶片构成的球状结构，称之为叶球。结球性具有许多优点，如脆嫩的质地、长货架期、便于机械化收割等。叶球是多基因控制的数量性状，且容易受环境影响，进而造成其遗传研究困难，至今未成功克隆叶球形成的遗传调控基因。
本研究对结球生菜与不结球生菜杂交的F2群体进行遗传分析，通过图位克隆的方法获得一个控制生菜结球的主效QTL。该基因编码一个与玉米KN1同源的基因，LsKN1。转基因互补实验和敲除实验验证了该基因对结球的调控作用。在结球生菜中，该基因的第一个外显子中插入了一个CACTA转座子。研究发现，CACTA转座子的插入并未敲除LsKN1基因的功能。相反，转座子插入后LsKN1基因的表达量显著上调。启动子活性实验证明，该CACTA转座子本身具有启动子活性。
拟南芥中KN1基因的同源基因为STM（Shoot Meristemless），该基因主要在分生组织处表达，其功能为维持分生组织干细胞的特性，抑制干细胞的过早分化。对莴苣和向日葵基因组分析发现，KN1基因在菊科中发生了一次复制。莴苣中的LsKN1基因的表达模式和功能发生了明显分化，在叶中有较高的表达。该基因受CACTA转座子上调表达后，结球生菜叶片近远轴细胞相似，背腹性分化减弱。ChIP-seq，EMSA和Y1H实验均表明，LsKN1▽蛋白结合LsAS1基因的启动子并抑制其表达。LsAS1的抑制表达使叶片背腹性减弱，进而形成叶球。在结球生菜中超量表达LsAS1导致叶片向外翻转，从而验证了抑制LsAS1基因的表达是生菜结球性状形成的关键。
CACTA转座子插入到LsKN1基因的第一个外显子中引起生菜结球的表型
(A)杂交亲本。(B)LsKN1基因在结球生菜中有一个CACTA转座子插入。
(C)转座子插入后LsKN1在不同组织中的表达均大幅提高。NHG，为不结球生菜。(D)LsKN1▽抑制LsAS1基因得表达，从而形成结球性状。
beat365官方网站博士后余长春及博士毕业生严承欢为论文的共同第一作者，匡汉晖教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
论文链接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/12/01/2019698117
作者：余长春
审核：匡汉晖