作物過(guò)度集中選育導(dǎo)致的“遺傳瓶頸 (Genetic bottleneck) ”和品種同質(zhì)化“內(nèi)卷”，已成為制約我國(guó)生物育種高質(zhì)量發(fā)展的堵點(diǎn)難題。近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究組在Advanced Science上發(fā)表了題為BLADE-ON-PETIOLE Genes Enable Genetic Bottleneck Mitigation Through Cross-Species Repurposing of Floral Persistence Traits的研究論文。與大規(guī)模測(cè)序鑒定更多基因的思路不同，該研究將作物演化發(fā)育學(xué)(Evo-devo)與我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)對(duì)不同作物的個(gè)性化需求相結(jié)合，創(chuàng)建跨物種個(gè)性化定制育種策略，成功將果蔬育種中的“不可用基因”變?yōu)榛ɑ苡N的“可用基因”，為突破生物育種遺傳瓶頸提供新路徑。

植物花器官的衰老與脫落，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和商品價(jià)值的重要性狀，但其育種價(jià)值在不同植物中存在顯著差異。在番茄等果蔬作物中，花器官授粉后若不能及時(shí)衰老脫落，一方面會(huì)持續(xù)消耗植株養(yǎng)分，擠占果實(shí)發(fā)育所需營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量下滑；另一方面，殘留花瓣會(huì)營(yíng)造高濕微環(huán)境，增加病原菌侵染風(fēng)險(xiǎn)，還易在果實(shí)表面形成疤痕，降低果實(shí)商品價(jià)值。因此，延遲花器官衰老脫落，在果蔬育種中是典型的不利性狀。而在花卉尤其是鮮切花中，花器官壽命、脫落時(shí)間直接決定花朵觀賞周期與貨架期，延緩衰老脫落、延長(zhǎng)花朵綻放時(shí)長(zhǎng)，是提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵目標(biāo)。同一性狀在不同物種中的價(jià)值差異，為跨物種重新定義基因價(jià)值提供了基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)以番茄為研究模式，系統(tǒng)解析了蛋白相分離參與調(diào)控花器官程序化脫落的新機(jī)制。BLADE-ON-PETIOLE（BOP）蛋白是脫落啟動(dòng)的重要調(diào)控因子，該研究揭示番茄中3個(gè)SlBOP基因協(xié)同促進(jìn)脫落區(qū)特化細(xì)胞層形成，從而控制花器官衰老與脫落。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SlBOP蛋白含有典型內(nèi)在無(wú)序區(qū)（IDRs），能夠發(fā)生液-液相分離，并與轉(zhuǎn)錄因子TFAM1形成異質(zhì)性轉(zhuǎn)錄凝聚體，激活下游脫落基因SlATH1表達(dá)，精準(zhǔn)調(diào)控脫落區(qū)細(xì)胞分化，進(jìn)而控制花器官程序化脫落。Slbop1/2/3 tfam1突變體花器官不脫落，果實(shí)畸形。

基于對(duì)上述機(jī)制的深入理解，研究團(tuán)隊(duì)將相關(guān)知識(shí)遷移至茄科花卉植物矮牽牛。通過(guò)精準(zhǔn)編輯PhBOP基因，獲得了花冠不脫落且衰老顯著延遲的矮牽牛新種質(zhì)。與野生型相比，Phbop1/2/3三突變體花朵盛花期延長(zhǎng)約一周，這意味著更長(zhǎng)的展示期和貨架期，提升商業(yè)價(jià)值；花冠冠幅變大、高度降低，觀賞性顯著提升。此外，該突變體表現(xiàn)出無(wú)花粉特性，對(duì)花粉過(guò)敏人群友好，具有良好的鮮切花應(yīng)用潛力。

在番茄中被視為“負(fù)效應(yīng)”的BOP相關(guān)突變，在矮牽牛中卻可轉(zhuǎn)化為優(yōu)良育種性狀，這種“汝之砒霜，吾之蜜糖”的跨物種遺傳效應(yīng)打破了傳統(tǒng)對(duì)“可用基因”與“不可用基因”的單一認(rèn)知，為通過(guò)作物衍化發(fā)育生物學(xué)盤(pán)活現(xiàn)有遺傳資源、豐富分子設(shè)計(jì)育種基因庫(kù)、緩解育種遺傳瓶頸提供了新的實(shí)踐路徑。

圖. 花器官程序化脫落的調(diào)控機(jī)制及跨物種個(gè)性化定制育種應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究組已畢業(yè)博士研究生肖楠和在讀博士研究生呂倩雯為該論文共同第一作者，黃小珍副研究員為獨(dú)立通訊作者，許操研究員指導(dǎo)了這項(xiàng)研究，張廷浩、鄒玉盼、謝躍、楊丹丹對(duì)該工作做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到北京市鄉(xiāng)村振興農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的資金支持。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202517112