園藝院 | 張紹鈴院士團隊揭示梨自交不親和性的識別機制

近日，南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院張紹鈴院士團隊在Molecular Horticulture在線發(fā)表了題為“Long-read genome sequencing reveals the sequence characteristics of pearself-incompatibility locus”的研究論文。該研究在梨屬和蘋果屬自交不親和位點（S-loucs）中鑒定了17-21個S-locus F-box基因（SFBBs），并發(fā)現(xiàn)在梨屬S17位點的19個SFBBs中，有18個在花粉中特異性表達，其中有8個參與識別非自我S-RNase。這一發(fā)現(xiàn)為梨屬物種非自我識別系統(tǒng)的觀點提供了有力支持。

同一品種的梨樹相互授粉往往不會結果，這種現(xiàn)象被稱為自交不親和性。在自然界中，為了避免近親繁殖帶來的不利影響，大約有60%的植物在漫長的進化過程中逐漸形成了自交不親和的機制。在梨樹的基因中，有一個特別的S位點，該位點包括編碼在雌蕊中表達的S-RNase基因和在花粉中表達的多個F-box（SLF/SFB）蛋白，控制著梨樹雌蕊是否能夠接受來自自身的花粉。當梨樹的花粉落在雌蕊柱頭上，S-Rnase會進入花粉管，如果花粉的S單倍型與花柱中存在的任一S單倍型相同，那么S-RNase就會像“守門員”一樣，阻止花粉管伸長進入子房，從而避免自交的發(fā)生，這被稱為配子體型自交不親和（GSI）。

梨和蘋果GSI反應的非自我識別機制中，自我S-RNase無法被多個SLF中的任何一個識別，而非自我S-RNases被至少一個SLF識別。然而，梨屬和蘋果屬物種的每個S位點包含了多個F-box基因。S位點序列的重復性使得利用短讀長序列準確組裝難以實現(xiàn)，因此，目前已鑒定出的SFBB基因十分有限。

該研究使用梨SFBB保守序列，分別在梨屬和蘋果屬S位點共鑒定出17-21個SFBBs（圖1a）?；诶鎸俸吞O果屬S單倍型基因的氨基酸序列，對177個SFBBs進行了系統(tǒng)發(fā)育分析，發(fā)現(xiàn)SFBBs被分為22個不同的組，I→XXII（圖1b）。每個組的氨基酸序列相似性平均值在88.9-97.9%之間，核苷酸相似性在92.1-98.4%之間，表現(xiàn)出了一定的序列多態(tài)性。盡管梨屬S17位點所有19個SFBBs均與S17-RNase遺傳連鎖，但PbrSFBBXXII-S17在花粉中不表達，而其它18個SFBB基因均在花粉中特異表達，說明這18個SFBB基因是潛在的花粉自交不親和性決定因子。

圖1梨屬和蘋果屬SFBB基因的序列分析

為探明SFBB和自我/非自我S-RNase之間的潛在相互作用，研究團隊通過酵母雙雜交（Y2H）和螢火蟲熒光素酶互補成像（FLCI）檢測，發(fā)現(xiàn)S17基因座中表達的SFBB均未與S17-RNase相互作用。相比之下，有8個SFBB與至少一種S-RNase相互作用（圖2a,b），從而支持了協(xié)作性非自我識別系統(tǒng)參與梨GSI的調(diào)控。進一步研究發(fā)現(xiàn)，移除高變區(qū)的S5-和S7-RNase不能與SFBB.VIII-S17互作（圖2c），表明高變區(qū)是梨S-RNase與非自我SFBB蛋白互作的重要區(qū)域。

圖2自我和非自我S-RNases與S17位點花粉特異性表達的SFBBs相互作用

園藝學院谷超研究員、博士研究生徐穎和吳磊為論文的共同第一作者，張紹鈴院士為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國農(nóng)業(yè)科研體系專項基金和江蘇省重點研發(fā)計劃的資助。

張紹鈴院士領銜的南京農(nóng)業(yè)大學梨創(chuàng)新團隊多年來以梨樹為研究對象，圍繞種質(zhì)資源評價與創(chuàng)新、基因組與生物信息學、生殖生理與細胞生物學、果實品質(zhì)生理與調(diào)控機制等領域開展系統(tǒng)深入研究，先后在Genome Research、Nature Communications、The Plant Cell、Genome Biology等期刊發(fā)表研究論文多篇。