南京农业大学联合揭示梨果实石细胞性状遗传

责编

王一

年11月14日，GenomeBiology在线发表了南京农业大学、山东农业大学、康奈尔大学、湖北省农科院果茶所联合发表的题为“AsystemsgeneticsapproachrevealsPbrNSCasaregulatorofligninandcellulosebiosynthesisinstonecellsofpearfruit”的研究论文，揭示了梨果实石细胞性状遗传调控网络。该成果标志着梨果实品质性状遗传调控研究领域取得又一重要进展。

我国是梨生产大国，生产面积和年产量均占世界总量的70%以上。石细胞是梨果实的独特性状，其含量过高会导致果肉粗糙，吃起来口感像是果实中有小砂粒，严重影响梨果实的品质。目前，我国的梨主栽品种仍以传统地方品种为主，以砀山酥梨等为代表的梨果实中大量形成的石细胞严重影响了食用口感和加工品质，在国内外市场的竞争力较弱，亟待开展性状遗传改良。因此，深入解析石细胞生物合成的分子调控机制对选育优质的梨新品种具有重要的理论和实践指导意义。但是，由于石细胞的主要组分为木质素和纤维素，涉及次生代谢的复杂调控关系，难以全面解析影响该数量性状形成的功能基因及其调控网络。

梨果实石细胞的盐酸间苯三酚染色不同砂梨品种石细胞含量差异

本研究以拥有丰富遗传多样性和表型变异的砂梨品种资源为研究对象，对份梨品种进行石细胞性状测定和RNA-seq测序，共检测到35,个表达基因和33个共表达模块，其中7个模块为石细胞形成相关模块。同时，基于RNA-seq数据检测到,个高质量SNP，通过与石细胞模块基因表达关联分析成功构建了梨石细胞eQTL图谱。

梨果实石细胞eQTL图谱和木质素纤维素共表达网络

进一步对梨石细胞主要组分木质素、纤维素合成调控机制进行解析，在石细胞模块中构建了包含个转录因子和39个木质素、纤维素结构基因的共表达网络。结合石细胞eQTL图谱和木质素纤维素共表达网络定位到重要候选调控因子——PbrNSC。通过梨果实的瞬时转化体系和模式植物的稳定转化体系，证实了PbrNSC可以调控梨果实石细胞和主要组分木质素和纤维素的形成，并明确了PbrNSC通过激活PbrMYB、Pbr4CL4和PbrLAC4基因的启动子发挥调控功能；研究还发现PbrNSC蛋白C端存在两个保守的LP和WQ结构域，突变任何一个保守结构域都会影响PbrNSC转录因子对下游基因的转录调控作用，从而影响PbrNSC转录因子正向调控次生细胞壁合成的生物学功能。此外，通过检测不同梨品种的PbrNSC基因序列，发现存在1个非同义SNP变异，其与石细胞和木质素含量相关联，为进一步开发分子育种标记提供了遗传变异信息。

PbrNSC参与调控石细胞组分木质素纤维素合成的功能验证

该研究率先利用eQTL与共表达相结合的系统遗传学方法进行果树复杂性状的解析，构建了全基因组范围木质素和纤维素合成的基因调控网络，成功定位到了梨果实石细胞形成重要调控因子PbrNSC，并揭示了其参与石细胞主要组分木质素和纤维素合成的分子调控机制。该研究为加速果树数量性状候选基因定位提供了有效策略，将为其他多年生果树复杂性状基因定位、调控网络解析和分子育种标记开发提供极有价值的参考。

南京农业大学园艺学院汪润泽、薛雍松博士，以及湖北省农科院果茶所范净副研究员为该论文的共同第一作者，南京农业大学吴俊教授、山东农业大学薛程副教授、康奈尔大学费章君教授为共同通讯作者。新西兰皇家植物与食品研究科学院姚家龙教授、中国农业大学林涛教授、中国农科院深圳农业基因组研究所练群博士、福建农林大学陈栩教授、湖北省农科院果茶所胡红菊研究员参与了该项目的研究。研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金、国家重点研发计划、国家现代农业产业技术体系、江苏省梨产业技术体系、中国博士后科学基金、江苏省青年科学基金等项目资助。

原文链接：