來源：中國科學(xué)報(bào)
作者：張晴丹
沒放生菜的漢堡是沒有靈魂的，蔬菜沙拉里也必有生菜的身影。近年來，生菜已經(jīng)成為頗受消費(fèi)者喜愛的食物，其中結(jié)球生菜因營養(yǎng)豐富且口感更加清脆、鮮嫩，在眾生菜中“脫穎而出”。
結(jié)球生菜如何形成葉球？這引起了科學(xué)家的好奇。
然而，與模式植物不同，蔬菜種類繁多，有上百種，結(jié)球又是蔬菜里特有的性狀，其復(fù)雜性讓國內(nèi)外相關(guān)研究止步不前。
近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室匡漢暉課題組攻堅(jiān)克難，通過正向遺傳學(xué)方法成功鑒定了控制生菜結(jié)球的基因，并且用遺傳轉(zhuǎn)化驗(yàn)證了該基因功能和作用機(jī)理，對(duì)結(jié)球蔬菜的品種選育有著重要的科學(xué)意義。
相關(guān)研究成果發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》上。
遺傳研究困難重重
人們通常所說的生菜在分類學(xué)上屬于葉用萵苣，而莖用萵苣則被人們稱為萵筍。
作為重要的大宗蔬菜之一，萵苣屬于菊科，起源于地中海地區(qū)，具有非常豐富的栽培類型，包括羅馬生菜、散葉生菜、奶油生菜、結(jié)球生菜、油麥菜、萵筍等。
“萵苣不同栽培類型之間的形態(tài)差異較大，但不同類型之間可以進(jìn)行雜交，并能產(chǎn)生可育的后代。因此，萵苣是研究植物形態(tài)發(fā)生及進(jìn)化的優(yōu)良材料。”匡漢暉在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。
這里面，生菜的“結(jié)球”特性引起了課題組的興趣。
結(jié)球是葉片發(fā)育的特殊表型。結(jié)球蔬菜的葉片都有一個(gè)共同特征，即葉片由外向內(nèi)彎曲、層層包裹，由葉片構(gòu)成一個(gè)球狀結(jié)構(gòu)，這樣的葉球里幾乎是無菌狀態(tài)，非常干凈。
從生物學(xué)角度來看，結(jié)球性狀與植物傳宗接代的“使命”有些背道而馳。植物生長的目的是把自己的基因傳遞給下一代，結(jié)球以后，植物開不出花來，就會(huì)滅種。
這對(duì)于植物繁衍“有害”的性狀，卻受到人工選育的青睞。
“結(jié)球蔬菜的葉球擁有更脆嫩的質(zhì)地，口感也更好，而且便于機(jī)械化收獲、易存儲(chǔ)、貨架期長，因此結(jié)球生菜深受市場(chǎng)喜愛，占整個(gè)生菜產(chǎn)量和消費(fèi)的一半以上，有些地方還靠種植結(jié)球生菜來脫貧致富。研究結(jié)球生菜具有現(xiàn)實(shí)意義?！笨餄h暉說。
然而，這條路并不好走。幾十年來，國內(nèi)外科學(xué)家都在開展相關(guān)研究，但關(guān)于蔬菜結(jié)球的秘密卻一直未能破解。
“原因在于，結(jié)球是多基因控制的數(shù)量性狀，這就導(dǎo)致我們難以尋覓蹤跡?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⑷A中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院博士畢業(yè)生嚴(yán)承歡在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。
不僅如此，和一些傳統(tǒng)蔬菜相比，結(jié)球生菜更易受環(huán)境影響，比如光照、溫度等因素都可能會(huì)影響結(jié)球表型。這些因素造成其遺傳研究非常困難，此前一直沒能找到葉球形成的遺傳調(diào)控基因。
找到基因 完成雙驗(yàn)證
想要找到這個(gè)“主角”談何容易。課題組選用結(jié)球生菜與羅馬生菜進(jìn)行雜交獲得F1代后，進(jìn)一步自交獲得F2群體。
課題組成員對(duì)F2群體的結(jié)球表型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，群體中結(jié)球性狀由緊密結(jié)球到完全不結(jié)球的連續(xù)分布，表明該遺傳群體中結(jié)球是一個(gè)數(shù)量遺傳性狀。
為了突破數(shù)量遺傳性狀由多基因控制的研究障礙，就需要在短期內(nèi)進(jìn)行單基因化。這就相當(dāng)于要把一個(gè)多維空間“降成”一維，其中的艱難可想而知。
“通過比較結(jié)球和不結(jié)球性狀在遺傳上的差異，我們?cè)谏说?號(hào)和7號(hào)染色體上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)主效的結(jié)球位點(diǎn)，并將其命名為LHL1和LHL2。對(duì)這兩個(gè)位點(diǎn)分別單基因化及遺傳定位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LHL2位點(diǎn)效應(yīng)更強(qiáng)。
論文中我們選擇了這個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步研究，將其鎖定在了一個(gè)約450kb的區(qū)域，對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行基因注釋發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域共編碼有11個(gè)基因?！眹?yán)承歡介紹。
其中，一個(gè)玉米KN1基因的同源基因引起了課題組的注意，也就是LsKN1。在玉米中，KN1基因是控制植物莖尖分身組織發(fā)育的基因。
實(shí)際上，LsKN1基因并不是結(jié)球生菜獨(dú)有的，它在所有生菜和萵筍里都有。因?yàn)樽儺惒艑?dǎo)致結(jié)球，而變異則是由一個(gè)轉(zhuǎn)座子引起的。
課題組發(fā)現(xiàn)，結(jié)球生菜中該基因的第一個(gè)外顯子中插入了一個(gè)轉(zhuǎn)座子，轉(zhuǎn)座子的插入讓LsKN1基因的表達(dá)量顯著上調(diào)，而沒有插入這個(gè)轉(zhuǎn)座子的生菜則不結(jié)球。
因此，他們認(rèn)定，LsKN1基因就是苦苦尋找的那個(gè)可以控制結(jié)球性狀的關(guān)鍵。
找到這個(gè)候選基因后，另一個(gè)重要的工作是進(jìn)行“功能驗(yàn)證”。結(jié)球蔬菜的遺傳轉(zhuǎn)化非常難做，課題組在這項(xiàng)工作上耗費(fèi)了大量精力和時(shí)間。
“通過遺傳轉(zhuǎn)化互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因能夠完全互補(bǔ)生菜的結(jié)球表型。進(jìn)一步，我們構(gòu)建了該基因的敲除突變體，其表型由結(jié)球變?yōu)橥耆唤Y(jié)球。”
論文共同第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院博士后余長春告訴《中國科學(xué)報(bào)》，遺傳轉(zhuǎn)化互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和敲除實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了該基因是生菜中控制結(jié)球的關(guān)鍵基因。
品種選育“私人訂制”
結(jié)球表型是一個(gè)非常重要的性狀。除了菊科中的生菜和菊苣，生活中常見的結(jié)球蔬菜還有十字花科的甘藍(lán)、白菜、孢子甘藍(lán)。
“用我們的方法去解析蔬菜結(jié)球的性狀，是一個(gè)比較好的模式，可以為甘藍(lán)、白菜、孢子甘藍(lán)等其他結(jié)球蔬菜的相關(guān)研究提供參考?！眹?yán)承歡說。
葉子有背面和腹面，兩者的作用和結(jié)構(gòu)也不一樣。課題組通過石蠟切片分析發(fā)現(xiàn)，不結(jié)球生菜葉片近軸面細(xì)胞排列整齊、緊密，而遠(yuǎn)軸面細(xì)胞排列松散，表現(xiàn)為明顯的背腹性分化。
與此相反，結(jié)球生菜近、遠(yuǎn)軸細(xì)胞相似，無明顯的背腹性分化。這說明葉片的背腹性發(fā)育參與了生菜結(jié)球性狀的形成。
“對(duì)結(jié)球性機(jī)理的研究可以說是對(duì)整個(gè)植物葉片發(fā)育理論研究的一個(gè)補(bǔ)充，起到了‘添磚加瓦’的作用?！庇嚅L春指出。
在生產(chǎn)過程中，結(jié)球生菜其實(shí)比較“矯情”。結(jié)球生菜對(duì)溫度非常敏感，冬天結(jié)球狀態(tài)很好，但容易“過火”，結(jié)出的球非常緊實(shí)，而到了夏天常常會(huì)結(jié)球“失敗”，這讓農(nóng)民很是苦惱。
“克隆了調(diào)控結(jié)球的關(guān)鍵基因后，我們可以利用這個(gè)基因來輔助結(jié)球生菜品種的育種工作，甚至可以精準(zhǔn)控制葉球的松緊度，真正實(shí)現(xiàn)結(jié)球生菜的‘私人訂制’。”
匡漢暉表示，這對(duì)整個(gè)結(jié)球蔬菜品種選育都具有一定的指導(dǎo)意義。
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