2025-05-25
BSA性狀定(ding)位測序相關的多組學聯合(he)分析再添高分文章(zhang)啦~
近日，沈陽農業大學在《The Plant Journal》期刊發表新研究成果！ 在蔬菜育種中，開花時間直接決定產量與品質。中國大白菜若過早抽薹（開花），會導致葉球松散、商品性驟降；而晚抽薹則能延長營養生長，提升產量。然而，調控這一性狀的分子機制長期成謎。 表觀修飾（如H3K27me3）如何 影響開花基因？如何通過 基因定(ding)位技術快速鎖定關鍵基(ji)因(yin) ？本文研究團隊最新研究通過BSA混(hun)池(chi)分析(xi)（MutMap）結合(he)表觀(guan)遺(yi)傳學 ，揭開了這一謎題，為解(jie)析中國大(da)白菜開花時(shi)間的表觀遺傳調控提供(gong)了新(xin)見解(jie)。
本研究的測序(xu)和(he)部分(fen)分(fen)析(xi)由上(shang)海(hai)派森(sen)諾生物科技(ji)股(gu)份(fen)有限公司完成。
研(yan)究背景(jing)
開(kai)花（抽(chou)薹）是植(zhi)物從營養(yang)生長(chang)(chang)(chang)轉(zhuan)向生殖(zhi)生長(chang)(chang)(chang)的(de)關鍵轉(zhuan)折點，直接影響(xiang)作物的(de)產(chan)量和(he)品(pin)質。對于葉菜(cai)類蔬菜(cai)（如(ru)中(zhong)國大白(bai)菜(cai)）而(er)言，過(guo)早抽(chou)薹會導致葉片松散、商品(pin)性下降，而(er)適當延遲抽(chou)薹則(ze)能延長(chang)(chang)(chang)營養(yang)生長(chang)(chang)(chang)，提高(gao)產(chan)量。因此，解析(xi)抽(chou)薹時間的(de)調控機制，對培育抗抽(chou)薹大白(bai)菜(cai)品(pin)種至關重要(yao)。
本研究聚焦于一個EMS誘(you)變(bian)(bian)的(de)突變(bian)(bian)體(ti)M1407，該突變(bian)(bian)體(ti)表(biao)(biao)現出顯著的(de)晚(wan)抽(chou)薹(tai)表(biao)(biao)型，尤其(qi)是在春化(hua)(hua)處(chu)理(li)后。利(li)用BSA混池分析(xi)（MutMap）結合表(biao)(biao)觀(guan)遺傳(chuan)學手段，團隊(dui)成功鎖定關鍵(jian)基因BrSWN（PRC2復合體(ti)的(de)催(cui)化(hua)(hua)亞基），并揭示其(qi)通過調(diao)控H3K27me3修(xiu)飾影(ying)響開花抑(yi)制基因BrFLC2/BrFLC3的(de)表(biao)(biao)達(da)，從而決(jue)定抽(chou)薹(tai)時(shi)間。這(zhe)一發現不僅填補了大白菜開花表(biao)(biao)觀(guan)調(diao)控的(de)空白，也為(wei)分子設計育(yu)種(zhong)提供了新靶點。
研究(jiu)材料與方法(fa)
1.實(shi)驗材料：選(xuan)取39株晚抽薹F?個體(ti)混池(chi)，與親本“FT”和M1407進行測序。
2.測序(xu)平臺：Illumina
3.分析內容：Mutmap、RNAi沉(chen)默、酵母雙雜交（Y2H）、CUT&TAG等技術(shu)多(duo)維度驗證基因(yin)功能。
研究結果
BSA定位的(de)精準與表觀調控(kong)的(de)奧秘
BSA一錘定音：BrSWN突變導致(zhi)晚抽(chou)薹
為(wei)(wei)進行遺(yi)傳分析，將野生型(xing)(xing)(xing)'FT'與突變體M1407雜(za)交獲(huo)得F1代(dai)群(qun)體，其抽(chou)(chou)薹(tai)(tai)時間(jian)與'FT'相(xiang)似。BC1群(qun)體（F1×'FT'）表(biao)(biao)(biao)(biao)現(xian)(xian)為(wei)(wei)正常抽(chou)(chou)薹(tai)(tai)表(biao)(biao)(biao)(biao)型(xing)(xing)(xing)，而(er)BC1（F1×M1407）則呈現(xian)(xian)野生型(xing)(xing)(xing)與突變表(biao)(biao)(biao)(biao)型(xing)(xing)(xing)的分離(li)，比(bi)例為(wei)(wei)1.11:1（χ2=0.52<χ20.05=3.84）。在F2群(qun)體中，361株(zhu)表(biao)(biao)(biao)(biao)現(xian)(xian)正常抽(chou)(chou)薹(tai)(tai)，117株(zhu)表(biao)(biao)(biao)(biao)現(xian)(xian)晚抽(chou)(chou)薹(tai)(tai)，分離(li)比(bi)為(wei)(wei)3.08:1，符合孟德爾單基(ji)因隱性(xing)遺(yi)傳規律（χ2=0.07<χ20.05=3.84）（表(biao)(biao)(biao)(biao)1）。這(zhe)些結果表(biao)(biao)(biao)(biao)明晚抽(chou)(chou)薹(tai)(tai)表(biao)(biao)(biao)(biao)型(xing)(xing)(xing)由單個隱性(xing)位點控制。
基于F2群體的39個晚抽薹子代，基于SNP指數（≥95%分(fen)(fen)位數）的BSA分(fen)(fen)析，鎖定A09染色體4.4 Mb候(hou)選區間(jian)，發現BraA09g002300.3.5C（BrSWN）的錯義突變（R725H）。
圖1 晚抽薹突變體M1407的(de)鑒定及其MutMap SNP-index
BrSWN基因的分析
BrSWN基因全長(chang)4457 bp，包(bao)含(han)17個外顯子(zi)和16個內含(han)子(zi)，其編碼(ma)區（CDS）長(chang)2502 bp，可(ke)編碼(ma)833個氨(an)基酸。在M1407突變(bian)(bian)體中，該(gai)基因第12外顯子(zi)發(fa)生G→A單堿(jian)基替(ti)換，導(dao)致第725位氨(an)基酸由精(jing)氨(an)酸（Arg, R）變(bian)(bian)為組氨(an)酸（His, H）。綜合序列特征(zheng)、蛋白結(jie)構(gou)域、進化(hua)分(fen)析和結(jie)構(gou)預測，推(tui)測該(gai)SNP通過改變(bian)(bian)BrSWN的(de)催化(hua)活(huo)性導(dao)致表型變(bian)(bian)異。
圖(tu)2 BrSWN的序列比對與(yu)蛋白結構分(fen)析(xi)
表觀遺傳調控：H3K27me3的“沉默(mo)藝術”
BrSWN是擬南芥AtSWN的同源基(ji)因(yin)，作為一種H3K27甲(jia)基(ji)轉移(yi)酶，通過(guo)催化(hua)H3K27me3修飾(shi)來(lai)抑制(zhi)靶基(ji)因(yin)表達。WB結果顯示(shi)，M1407中H3K27me3整(zheng)體水平顯著降(jiang)低（圖3e）；CUT&TAG技(ji)術定量分析顯示(shi)，BrSWN突(tu)變導致BrFLC2/BrFLC3位(wei)點H3K27me3富集(ji)減少(shao)，解除基(ji)因(yin)沉(chen)默(mo)。這些結果證明，BrSWN特異性調控BrFLC2和BrFLC3位(wei)點的H3K27me3修飾(shi)沉(chen)積，而這種表觀遺傳標(biao)記的正確建(jian)立(li)對中國大(da)白菜開花調控至關重要。
圖3 BrSWN與BrVRN2蛋白復(fu)合體(ti)的該突變導致BrFLC2/BrFLC3的H3K27me3水平(ping)降低
上游調控網絡：BrBPC6的“剎車”作用
Y1H和(he)EMSA實驗(yan)證實，轉錄因子(zi)(zi)(zi)BrBPC6通(tong)過(guo)結合BrSWN啟動(dong)子(zi)(zi)(zi)TCTC motif抑制其(qi)表(biao)達(da)，形成“BrBPC6-BrSWN-BrFLC”調控軸。GUS反式(shi)激活實驗(yan)進一步表(biao)明(ming)，35S::BrBPC6與proSWN共(gong)轉化時(shi)，GUS活性較單獨轉化proSWN顯著(zhu)降低（圖4e）。這些結果證明(ming)BrBPC6可通(tong)過(guo)體內結合BrSWN啟動(dong)子(zi)(zi)(zi)抑制其(qi)表(biao)達(da)。
圖(tu)4 BrBPC6通(tong)過結合啟動(dong)子抑制BrSWN的轉錄(lu)表達
結 論
本(ben)研究(jiu)通過BSA混池分(fen)(fen)析快(kuai)速定(ding)位BrSWN基(ji)因，結(jie)合表觀遺傳學揭示了PRC2復合體通過H3K27me3修飾動態(tai)調控開花的(de)機制(zhi)。這一發現不(bu)僅(jin)為培(pei)育抗抽薹大白菜品種提(ti)供(gong)分(fen)(fen)子靶點，更(geng)展示了BSA技術(shu)在復雜性(xing)狀基(ji)因定(ding)位中的(de)高效性(xing)！
綜合(he)研究結果，本文提出SWN-PRC2復合(he)體(ti)介(jie)導(dao)的(de)轉(zhuan)錄抑制模型：野生(sheng)型中(zhong)，BrSWN-PRC2復合(he)體(ti)在BrFLC2和BrFLC3位點(dian)沉(chen)積(ji)H3K27me3修飾，高水平的(de)H3K27me3抑制BrFLC2/BrFLC3表達(da)，從而(er)(er)維持(chi)正常(chang)抽薹時(shi)間(jian)；而(er)(er)在M1407突變(bian)體(ti)中(zhong)，BrSWN突變(bian)導(dao)致其催化H3K27me3能(neng)力(li)降低，無(wu)法有效抑制BrFLC2/BrFLC3表達(da)，最(zui)終導(dao)致抽薹延(yan)遲。鑒于BrFLC2和BrFLC3在抑制開(kai)花(hua)時(shi)間(jian)中(zhong)的(de)關(guan)鍵作用(yong)，本研究揭示SWN-PRC2復合(he)體(ti)在大白菜開(kai)花(hua)時(shi)間(jian)調控中(zhong)具有重要功能(neng)。
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文章(zhang)索引(yin)：Zifan Zhao.,Chong Tan.,Jiamei Zhang., et al.BrSWN mutation reduces the H3K27me3 level at the BrFLC2 and BrFLC3 loci and confers a late-bolting phenotype in Chinese cabbage. Plant J. 2025 Apr;122(1):e70151.doi: 10.1111/tpj.70151.
