控制苹果果实贮藏性的MDBPM2/MdRGLG3-MdNAC83网络中的自然变异

《Journal of Integrative Plant Biology》：Natural variations in MdBPM2/MdRGLG3-MdNAC83 network controlling the quantitative segregation of apple fruit storability

苹果果实耐储性由MdNAC83、MdBPM2和MdRGLG3等基因的泛素化调控及乙烯信号通路共同作用。研究发现，MdNAC83的216bp缺失和SNP934 T/C位点的变异显著影响其转录活性及下游基因MdACO1、MdMANA3和MdXTH28的表达，而MdBPM2的SNP657 T/A和MdRGLG3的SNP167 C/G变异通过泛素化降解MdNAC83蛋白起关键调控作用。基于功能标记改进的GAP模型预测准确率分别达到0.7723（果实硬度）和0.5639（脆度保持性），验证了非加性基因互作对冷储性状的复杂调控机制。

　　在现代遗传学研究中，对复杂数量性状进行解析一直是一个极具挑战性的课题。以苹果果实储藏性状为例，这种性状由多个基因控制，且这些基因之间存在复杂的相互作用。本文通过深入研究，揭示了苹果果实储藏性状（如果实硬度保持性和脆性保持性）的关键调控基因及其变异，这些发现不仅有助于理解果实储藏性的分子机制，还为未来的基因组编辑提供了新的靶点，同时显著提高了基因组辅助预测（GAP）模型的准确性。

苹果果实的储藏性状，如果实硬度保持性和脆性保持性，是复杂的数量性状，受到多种遗传变异的影响。这些遗传变异可能位于转录调控网络中，也可能通过翻译后修饰或表观遗传调控相互作用。因此，为了更精确地解析这些性状，科学家们从之前识别出的62个与果实储藏性状相关的数量性状位点（QTLs）中，筛选出三个候选基因：MdNAC83、MdBPM2和MdRGLG3。这些基因分别位于具有较高遗传效应和较大G值的QTL区域中，它们的基因型变异被发现与果实硬度和脆性保持性密切相关。通过分析这些基因的启动子区域和编码序列中的变异，研究团队发现一些特定的变异能够显著提高或降低相关基因的表达水平，从而影响果实的储藏性能。

其中，MdNAC83基因的启动子区域存在一个216-bp的缺失（Del216）和一个SNP（SNP934 T/C），这些变异与该基因的高表达水平相关。然而，在编码区域中，一个SNP（SNP388 G/A）显著降低了其激活下游目标基因（如MdACO1、MdMANA3和MdXTH28）的能力。这表明，MdNAC83的基因型变异在调控果实硬度和脆性保持性方面具有重要作用。此外，MdBPM2和MdRGLG3基因通过泛素化作用参与调控MdNAC83的稳定性。在这些基因中，SNP657 T/A和SNP167 C/G分别减少了它们对MdNAC83的泛素化能力，从而影响了果实储藏性状的表现。

为了进一步提高预测模型的准确性，研究团队将这些功能性标记添加到GenoBaits SNP阵列中，并对GAP模型进行了重新训练。结果显示，更新后的模型在预测果实硬度（FF）和脆性（FC）以及其保持性（FFR和FCR）方面表现出更高的准确度，分别达到0.7723/0.6231和0.5639/0.5345。这一发现表明，通过整合功能性标记，可以更有效地捕捉到与果实储藏性状相关的遗传信息，从而提升遗传预测模型的性能。

在基因功能验证方面，研究团队通过多种实验手段，如转基因实验、酵母单杂交（Y1H）、电泳迁移率变动分析（EMSA）和荧光互补（BiFC）等，确认了这些基因之间的相互作用。例如，MdNAC83能够直接结合到其下游目标基因的启动子区域，调控这些基因的表达水平。而MdBPM2和MdRGLG3则通过泛素化作用，调控MdNAC83的稳定性。这些结果表明，MdNAC83在调控果实储藏性状中扮演了核心角色，它既通过调控下游基因表达，也通过与MdBPM2和MdRGLG3的相互作用，共同影响果实的硬度和脆性保持性。

此外，研究还发现，这些基因的基因型变异不仅在个体层面影响果实储藏性状，还通过非等位基因间的相互作用形成复杂的调控网络。例如，MdBPM2的SNP657 T/A与MdNAC83的SNP388 G/A的组合效应显著影响果实的硬度和脆性保持性。同时，MdRGLG3的SNP167 C/G与MdNAC83的SNP388 G/A的组合也显示出重要的调控作用。这些非等位基因间的相互作用表明，苹果果实储藏性状的遗传调控机制远比单一基因的调控复杂。

研究团队还通过基因组辅助预测（GAP）模型的应用，进一步验证了这些基因的调控作用。通过对功能性标记的整合，研究团队构建了非等位基因相互作用的GAP模型，并发现这些模型在预测果实硬度和脆性保持性方面表现出更高的准确性。这表明，功能性标记的引入有助于更精确地解析数量性状的遗传基础，为育种策略的优化提供了新的方向。

从遗传组成和结构分析的角度来看，研究团队利用257个与果实储藏性状相关的GenoBaits标记，对612个苹果种质资源进行了分析。结果显示，这些标记在不同苹果种质中表现出不同的频率分布，其中一些标记在M. sieversii、M. baccata和未知种质中具有较高的频率，而另一些则在M. domestica和M. asiatica中表现出不同的遗传组成。这些发现揭示了苹果果实储藏性状的遗传多样性，并暗示了不同种质之间的基因流动和选择压力。

总体来看，本研究通过整合功能性标记，不仅揭示了苹果果实储藏性状的遗传调控机制，还显著提高了GAP模型的预测准确性。这些发现为苹果育种提供了重要的理论依据和实践指导，有助于提高果实储藏性状的遗传改良效率。此外，研究还揭示了非等位基因相互作用在调控果实储藏性状中的重要性，为未来基因组编辑提供了新的思路和方法。