《科学》:发现控制果形的基因

【字体: 时间:2008年03月17日 来源:生物通

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科学家发现,SUN基因在各种番茄品种的细长形状中发挥重大的作用。在番茄品种长形果实中该基因被打开并高表达,而在圆形的水果中基因被关掉了。之后,我们在其他几个品种,证实了我们的发现,在所有的长果品种中,这个基因总是高水平地表达。 SUN编码了植物蛋白IQD12的IQ67域。在植物转化试验中IQD12自己就完全足够使西红柿长成细长而非圆形。 

  

生物通报道:科学家已克隆出一个控制着西红柿形状的基因。该发现可以帮助科学家揭开食用水果和蔬菜千奇百怪形态差异背后的神秘面纱,以及提供植物发育机制的新见解。 

这种基因被命名为“SUN”,在各种番茄品种的细长形状中发挥重大的作用,仅仅是第二个被发现的此类基因。这一发现作为封面文章,发表在3月14日发行的《科学》杂志上。

作为一种形状和大小的变化最为丰富的蔬菜作物,番茄已从一个非常小的,圆的野生祖先演变出一系列广泛的栽培品种:有的是巨大分节的,有的是梨型的,有的是椭圆形,有的似辣椒。这些在大多数种子的产品目录和销售超市中随处可见。然而,人们不大了解这种西红柿形状转变的遗传基础,而且几乎没有研究过别的水果和蔬菜的形态学变化。 

西红柿是在果实形态研究这一的新兴领域中的模式作物。研究人员正尝试去了解在培育果形番茄的过程中,什么样的基因造成果实大小的巨大增加,以及形状的变化。 一旦我们知道这个过程中所有的基因,我们将能够找出,培育过程如何形成了番茄果实的形状,并更好地了解什么控制各种作物的形状,如辣椒,黄瓜和葫芦等。

研究人员发现果实形状的第一个关键信息是SUN,从"SUN1642 "的栽培品种得来。它是椭圆形的,底部较尖。这个基因也最终被证明,在长形的品种中非常普遍,如像辣椒一样的"Howard Germa"番茄。 

在研究可以收集到的所有番茄种质资源中,可以发现有一些品种的果形很长。通过基因分析,研究人员不断缩小控制着这个长果形基因组的区域,并最终缩小到较小的一段,然后在该位点的通过测序锁定了这个基因。

该研究的作者的Van der knaap说,在此过程中,我们确定了一个关键的候选基因,在番茄品种长形果实中该基因被打开并高表达,而在圆形的水果中基因被关掉了。之后,我们在其他几个品种,证实了我们的发现,在所有的长果品种中,这个基因总是高水平地表达。 

一旦SUN基因被确定,下一步就要证明这个基因实际上是果形变化的原因。 为此Van der Knaap和她的研究小组进行了几种植物转化试验。当SUN基因导入野生的圆果番茄轴植物中后,他们会结出极为细长水果。当在长形水果中敲除该基因,则结出与野生西红柿相似的圆果。 

光靠SUN基因我们并不知道果形表型到底是如何改变的,但我们所知道的是,该基因的表达对于细长的果子是非常重要的。现在,我们可以继续前进,并提出这样一个问题:否是同一基因,或者是序列密切相关的基因,在其他蔬菜和水果作物控制着水果的形态? 

Van der Knaap和她的研究小组其他的发现包括,SUN编码了植物蛋白IQD12的IQ67域。在植物转化试验中IQD12自己就完全足够使西红柿长成细长而非圆形。 

IQD12 属于在世界上相对较新发现的一个蛋白家族,因此IQD12只是第二个含有IQ67域且其植物的功能已被确定的蛋白。另一个是在模式植物拟南芥中发现的AtIQD1。在拟南芥中,AtIQD1使芥子甙的含量增加了,而芥子甙是一种可能有抑制癌症作用的代谢产物。 

不像AtIQD1,,SUN基因似乎并没有影响到芥子甙含量蕃茄,因为茄果类植物其中(包括番茄,青椒,茄子和其他常见的作物)并不产生这些代谢产物。但两个基因之间似乎有共同之处,因为它们都可以被调节植物的色氨酸含量。因此,SUN基因可能会让我们更多地了解,水果形状分化的整个过程,或许是通过影响植物激素和/或次生代谢产物的含量。 

在鉴定和克隆SUN的过程中,Van der knaap的团队也研究了这个基因的起源和进入番茄基因组并保留下来的过程。 

SUN基因的另一个特点是,它影响授粉和受精后的果形,植物开花五天后水果的形态发育差异最显著。先前发现的唯一一个控制果实形状的其他基因是OVATE,是由康奈尔大学的Steven Tanksley发现的,他也是Van der Knaap的做博士后时的到时。OVATE基因在开花前、房的发育早期影响水果的形状。  (生物通,揭鹰)

原始论文:
Xiao et al. (2008) A Retrotransposon-Mediated Gene Duplication Underlies Morphological Variation of Tomato Fruit. Science: 1527-1530 [Abstract]

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