作物種子包殼性狀的喪失是作物穗型馴化過程中的一個典型事件。作物野生種通過攜帶的包殼性狀抵御外界的侵襲,進而保證自身的繁衍,然而這種包殼性狀極大地不方便人工或機械化的種子脫粒、加工和播種過程,因此被人類選擇成不包殼(裸粒)的性狀。高粱是人類最早栽培的禾本科作物之一,高粱種子的包殼性狀具有豐富的表型變異,其中粒用的籽粒高粱亞種多表現為裸粒。早在80多年前,學者就將包殼性狀作為區分高粱各亞種的一個典型指標,但目前關于高粱包殼性狀的分子遺傳基礎仍然是一個空白。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗研究組利用遺傳學、生物信息學和分子生物學等手段,揭示了一個主效基因GC1(Glume Coverage 1)位點的變異導致了高粱種子裸露性狀的產生。GC1是一個負調控包殼性狀的關鍵因子,其蛋白的C端截短突變可能是通過減少其被26S蛋白酶體途徑介導的降解,導致截短蛋白gc1顯著積累。一個馬鈴薯糖蛋白相關磷脂酶SbpPLAII-1可能作為GC1下游信號的一個關鍵組分來發揮功能,其可以通過上調Cyclin-CDK通路相關基因的表達來促進穎殼細胞增殖。因此相對于GC1而言,在體內更穩定的gc1-a能促進更多的Sbp-PLAII-1降解,進而抑制SbpPLAII-1的功能,最終降低高粱的包殼程度。
綜上,該研究鑒定了一個控制高粱包殼性狀的關鍵基因GC1,其截短突變的類型使高粱種子的脫粒效率提升了60%,并揭示了高粱穗型馴化過程中包殼性狀發生變異的分子機理。目前在禾谷類作物中,仍然有近40%的高粱、大部分谷子以及糜子等種質資源材料表現為嚴重的包殼性狀,利用截短的GC1等位基因將為高粱、谷子及糜子等禾本科作物的裸粒育種提供理論支撐。
該研究于2月25日在線發表于Nature Communications雜志。
(來源:遺傳與發育生物學研究所)