隐性遗传变异通过层级上位效应驱动植物表型多样性

本研究通过自然变异和基因编辑技术，揭示了番茄花序发育调控网络中SEP(J2/EJ2)和PLT(PLT3/PLT7)基因对的隐性变异如何通过剂量依赖性上位效应协同调控表型变异。研究人员构建了包含216种基因型的群体，量化了35,606个花序的分枝特征，发现基因对内部存在协同增效作用，而基因对间存在剂量依赖性拮抗效应，为理解基因调控网络架构如何塑造表型空间提供了新范式。

　　

在植物进化生物学中，一个长期存在的谜题是：微效遗传变异如何突破发育稳定性（即"渠化"）的约束，驱动表型多样性？最神秘的微效变异当属隐性等位基因——它们单独作用时表型效应微弱，但通过与环境或其他等位基因（包括其他隐性变异）的互作可能产生显著效应。随着泛基因组学的发展，人们发现基因家族、顺式调控区域和调控网络中普遍存在这种隐性变异，但受限于遗传分析的复杂性、等位基因多样性不足和表型分辨率有限，其贡献机制一直难以阐明。

冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）和霍华德·休斯医学研究所的研究团队以番茄（Solanum lycopersicum）花序发育为模型，通过整合自然变异分析和CRISPR-Cas9基因编辑技术，揭示了隐性变异如何通过层级上位效应塑造表型空间。研究发现，MADS-box转录因子基因JOINTLESS2(J2)及其旁系同源基因ENHANCER OF JOINTLESS2(EJ2)的隐性顺式调控变异与PLETHORA(PLT)转录因子家族成员PLT3/PLT7构成调控网络，通过基因对内部的协同作用和基因对间的拮抗效应，共同控制花序分枝复杂性。这项突破性成果发表于《Nature》，为理解基因网络架构如何缓冲表型变异、同时为进化提供"突变储备"提供了定量框架。

研究人员主要采用以下关键技术：1）基于番茄泛基因组数据和染色质开放区域分析的顺式调控变异挖掘；2）CRISPR-Cas9和SpRY-Cas9系统构建等位基因系列；3）双荧光素酶报告系统验证PLT3对EJ2启动子的调控；4）建立包含216种基因型的F₂分离群体；5）跨4个生长季对35,606个花序进行表型量化；6）基于负二项分布的层级上位效应模型分析。

自然与工程化EJ2顺式调控变异
通过分析番茄生殖分生组织的开放染色质区域，研究人员在EJ2上游6 kb处鉴定出包含DOF和PLT转录因子结合位点(TFBS)的调控区域。来自野生种S.habrochaites和S.pennellii的两个自然变异（10 bp和8 bp缺失）破坏了这些TFBS，在J2缺失背景下导致花序分枝增加。通过CRISPR靶向该区域获得7个工程化等位基因，证实所有变异在j2背景下均表现出剂量依赖性分枝效应，其中EJ2pro⁸（含~100 bp缺失）分枝效应最强。

PLT旁系同源基因调控EJ2表达
表达谱分析锁定两个PLT家族成员PLT3和PLT7作为候选调控因子。系统发育分析显示它们与拟南芥AtPLT3/AtPLT7同源但源于独立复制事件。双荧光素酶实验证明PLT3能激活完整EJ2启动子，但对自然变异等位基因（EJ2pro^Sh和EJ2pro^Sp）无激活作用。基因编辑获得plt单突变体表型微弱，但plt3 plt7双突变体表现出极端的分生组织增殖和分枝，呈现剂量依赖性冗余：plt3/+ plt7和plt3 plt7/+分别显示弱度和中度分枝。

PLT-SEP基因型-表型图谱
通过将6个EJ2pro等位基因与plt3 plt7/+杂交，构建216种基因型的F₂群体。层级上位效应模型分析揭示：1）旁系同源基因对内部存在超乘积极互作（协同效应），如plt3/+ plt7和EJ2pro⁸j2的分枝事件分别比乘性预期高3.29倍和16.97倍；2）基因对间存在线性重标度效应（拮抗作用），当PLT3/PLT7突变积累时，EJ2/J2突变的表型贡献被逐步削弱——例如plt3在野生型背景产生11.24倍分枝效应，在j2背景下降至6.18倍，而在EJ2pro⁸j2背景进一步衰减至2.49倍。

这项研究首次在植物系统中验证了经典的多线性上位模型（multilinear model），阐明基因家族内部的协同冗余与网络层级的拮抗作用如何共同塑造表型空间。其重要意义在于：1）揭示旁系同源基因分化产生的剂量效应如何作为"进化缓冲器"，既维持表型稳定性又储备爆发性变异的潜力；2）为作物复杂性状的精准设计提供新策略，通过调控基因对间的剂量平衡可规避不利连锁效应；3）提出的层级上位框架为解析自然群体中广泛存在但难以检测的基因互作提供了新范式。研究还发现，茄科植物特有的J2/EJ2亚支与PLT3/PLT7构成的网络架构可能比十字花科（缺乏J2/EJ2亚支）更易积累隐性变异，这为解释不同类群间表型可塑性差异提供了分子线索。