DAP-seq助力揭示YABBY11轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控楊樹葉形自然變異的分子機制

2023年3月，北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院宋躍朋教授課題組的研究成果發(fā)表在了Plant Physiology期刊上（影響因子7.4），文章題目為 “Enhanced genome-wide association reveals the role of YABBY11-NGATHA-LIKE1 in leaf serration development of Populus"的研究論文。該研究使用DNA親和純化測序(DAP-seq)技術(shù)鑒定了楊屬YABBY11轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合基序和靶基因。發(fā)現(xiàn)YABBY11與楊樹葉形自然變異顯著關(guān)聯(lián)，為探索理想葉形遺傳改良奠定了理論基礎(chǔ)。

該研究發(fā)現(xiàn)，在毛白楊基因組中，YABBY11由于存在提前終止位點（PtoYAB11^PSC），從而導(dǎo)致鋅指結(jié)構(gòu)域缺失，進(jìn)而失去了對下游靶基因PtoNGAL-1與PtoRBCL的轉(zhuǎn)錄激活作用，使葉緣鋸齒加劇、葉面積增大、光合利用效率提升。

圖 1 楊樹自然群體葉形變異顯著

楊樹葉片形態(tài)變異豐富，在種間與種內(nèi)都存在顯著的自然變異。為了闡明楊樹葉片形態(tài)自然變異的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，以毛白楊與小葉楊種質(zhì)資源群體為材料，發(fā)現(xiàn)在兩個關(guān)聯(lián)群體中，基因型-表型關(guān)聯(lián)顯著性最高的SNPs均位于YABBY11基因上。在毛白楊群體中，YABBY11具有提前終止位點（PtoYABBY11^PSC），導(dǎo)致與DNA結(jié)合的鋅指結(jié)構(gòu)域全部丟失，僅保留了核定位信號。以YABBY11為候選基因構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，顯示提前終止位點僅存在白楊派中，暗示了YABBY11^PSC可能是一個白楊派特異的基因變體。

圖 2 基于持續(xù)同調(diào)拓?fù)鋽?shù)據(jù)高通量量化的全基因組關(guān)聯(lián)分析

圖3 楊屬YABBY11基因系統(tǒng)發(fā)育樹

為闡明PtoYABBY11^PSC攜帶的提前翻譯終止位點是否改變了YABBY11下游的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研究者利用表達(dá)數(shù)量性狀位點定位策略（eQTNs）分別對毛白楊和小葉楊群體YABBY11核酸變異與表達(dá)量進(jìn)行分析。在毛白楊群體中，97個SNPs與55個基因表達(dá)量顯著關(guān)聯(lián)。在小葉楊群體中，共發(fā)現(xiàn)61個SNPs與52個基因形成表達(dá)量顯著關(guān)聯(lián)。靶基因功能注釋結(jié)果顯示，PtoYABBY11^PSC與PsiYABBY11下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因顯著不同，暗示PtoYABBY11^PSC攜帶的提前翻譯終止位點已經(jīng)顯著改變了毛白楊YABBY11下游的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

圖 4 PsiYABBY11基因通過順式作用元件與下游靶基因相互作用

使用DAP-seq技術(shù)，對具有完整轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)的PsiYABBY11下游靶基因進(jìn)行篩選，在164個基因上共篩選到220個PsiYABBY11互作位點，其中37.5%的互作位點位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游2000 bp范圍內(nèi)。對PsiYABBY11下游靶基因進(jìn)行KEGG通路注釋，PsiYABBY11的下游靶基因主要富集在photosynthesis, oxidative phosphorylation, starch and sucrose metabolism, 以及 ribosome等通路中。聯(lián)合eQTNs與DAP-seq分析結(jié)果，共篩選出NGAL1, RBCL, PHOTOSYSTEM II REACTION CENTER PROTEIN B (PSBB), ATP SYNTHASE SUBUNIT ALPHA (ATPA)以及ATP SYNTHASE EPSILON CHAIN (ATPE) 基因為PsiYABBY11的下游靶基因。酵母單雜交與EMSA實驗進(jìn)一步驗證了PsiYABBY11可以和NGAL1 與RBCL基因的啟動子直接結(jié)合。雙熒光素酶實驗結(jié)果表明PsiYABBY11能夠激活NGAL1 與RBCL基因表達(dá)。酵母單雜實驗結(jié)果進(jìn)一步證明了NGAL1與其下游生長素響應(yīng)靶基因CUC2也存在相互作用。該結(jié)果表明，YABBY11-NGAL1-CUC2 可能通過調(diào)控楊樹葉邊緣發(fā)育進(jìn)而導(dǎo)致葉片形態(tài)的自然變異。

圖 5 PsiYABBY11與PtoYABBY11^PSC分子功能解析

在PtoYABBY11^PSC與PsiYABBY11的過表達(dá)株系中， PtoYABBY11^PSC-OE植株葉長、葉寬、葉面積顯著增加，光合作用效率顯著提升，葉片邊緣鋸齒顯著加劇。PtoYABBY11^PSC-OE植株葉長、葉寬、葉面積顯著減小，光合作用效率降低，葉片邊緣光滑，但是葉脈厚度與氣孔密度顯著增加。 PtoYAB11^PSC-KO的基因敲除突變植株葉片邊緣光滑，但是光合作用效率與葉片面積沒有顯著改變。

圖 6 楊屬YABBY11調(diào)控葉形自然變異的分子機制

以上研究結(jié)果表明， YABBY11激活NGAL1的表達(dá)，進(jìn)而抑制CUC2基因表達(dá)，調(diào)控光滑葉緣的形態(tài)發(fā)育。同時，YABBY11 激活RBCL基因表達(dá)，導(dǎo)致Rubisco大小亞基裝配失調(diào)，進(jìn)而光合作用效率下降。而在白楊派樹種中，YABBY11^PSC由于攜帶翻譯提前終止位點，喪失了對NGAL1-CUC2模塊以及RBCL基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用，進(jìn)而導(dǎo)致葉片面積增大、葉片鋸齒加劇、光合作用效率提升。此外，YABBY11在毛白楊與小葉楊中均對脅迫信號響應(yīng)敏感，暗示了YABBY11-NGAL1-CUC2可能是基因組與環(huán)境信號互作調(diào)控葉形變異的關(guān)鍵分子調(diào)控模塊。該模塊為系統(tǒng)了解葉形響應(yīng)外界環(huán)境信號產(chǎn)生自然變異提供了一個全新的視角，為探索理想葉形遺傳改良奠定了理論基礎(chǔ)。