栽培大豆侧枝系统被抑制的分子进化机制研究

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农作物在长期适应人工栽培环境下,产生了一系列形态上的适应性变化,即驯化综合征。它包括增大的果实或谷粒、有限生长、明显的顶端优势、落粒性状或果实离层细胞的丢失、种子休眠机制的改变等。在自然条件下,个体为获取更多的生存空间,分化出大量的分枝以便高效利用光能;而人工种植条件下,较多的侧枝往往伴随着营养物质的分散以及植株倒伏和管理上的困难。因此,在长期的人工选择下,侧枝系统的发育受到了强烈的抑制,伴随产生了增强的顶端优势。模式生物中的研究表明,侧芽原基在起始后是否继续生长受外界环境、内部激素两个方面的调控,最终决定了侧枝系统的类型。侧枝的丢失是栽培大豆的重要驯化性状,它的产生标志着栽培大豆的成功驯化。然而,栽培大豆中与较强顶端优势相伴的侧枝系统被抑制的分子调控机制尚不明确。  为了解栽培大豆和野大豆之间侧枝系统的形态差异,我们首先观察了二者的外部形态特征,发现栽培大豆一级侧枝的叶腋处形成花芽,而野大豆一级侧枝上则形成侧芽,二级或三级侧枝上的叶腋处形成花芽。进一步的个体发育分析表明栽培大豆侧芽原基起始后不久便进入休眠状态,随后向花原基转变;而野大豆中,一级侧枝上的侧芽原基起始后继续发育形成侧枝并在叶腋处分化出新的侧芽原基,二级侧枝上的侧芽原基起始后不久转变为花原基。因此,栽培大豆侧枝的丢失是由于侧芽原基起始后的发育抑制。  TCP基因家族的TB1类基因响应外界环境和内部激素信号决定侧芽原基的生长状况。我们利用系统发育分析发现大豆基因组的55个TCP基因家族的成员中共有4个TB1类基因,与豌豆和百脉根的TB1类基因以较高的支持率聚为一支。Real-time PCR结果显示GlycineBRC2B(Glyma17g13065)特异性地在侧芽内表达,且在栽培大豆中的表达量是野大豆中的3倍。同时,组织原位杂交结果也显示GlycineBRC2B主要表达于栽培大豆早期发育的侧芽原基中。接下来,我们通过群体遗传学的方法对候选基因进行了核苷酸多态性的筛选,发现GlycineBRC2B基因在大豆群体中核苷酸多态性剧烈降低,暗示其在大豆驯化过程中受到了人工选择。进一步,我们发现该基因与已知的控制侧枝数目的QTL(qBr4)共定位,这些结果暗示候选基因GlycineBRC2B的高水平表达可能是导致栽培大豆侧枝系统被抑制的原因。  为了进一步探究GlycineBRC2B基因的功能,我们在拟南芥中过量表达了GlycineBRC2B基因,发现该基因的过量表达有效抑制了拟南芥各部分花器官的发育,并抑制了顶端分生组织的活动,说明GlycineBRC2B具有抑制原基发育的功能。为进一步验证GlycineBRC2B基因的功能在栽培大豆驯化过程中是否发生了分化,我们在拟南芥Attcp18突变体中进行了功能互补实验,结果发现二者均能完全互补Attcp18突变体多侧枝的表型。这些结果说明这一对直系同源基因在大豆驯化过程中蛋白质的功能没有发生变化,可能是基因调控区段的分化引起了二者表达量上的差异。  为了确定GlycineBRC2B的基因位点在大豆驯化过程中受到的人工选择强度,我们对该基因座位以及相邻的基因位点进行了核苷酸多态性分析。我们发现GlycineBRC2B基因在栽培群体中受到了强烈的人工选择(π=0)。在GlycineBRC2B所在染色体区段,我们又进一步发现了一个包括了18个基因~380kb的核苷酸多态性选择性清除区段,说明GlycineBRC2B位点的强烈人工选择已经延伸到与其紧密连锁的基因。  综上所述,我们的研究结果显示栽培大豆侧枝系统被抑制归因于人工选择下GlycineBRC2B在栽培大豆侧芽原基中的高水平表达,并进一步导致侧芽原基在起始后不久便受到强烈的抑制并逐渐向花原基转变,最终产生侧枝丢失这一强烈的驯化性状。
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