华中农业大学张余洋教授揭示番茄SE3.1基因影响植株自花授粉新机制学术资讯

2021年8月2日，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室张余洋教授科研团队在著名学术期刊The Plant Cell 发表题为“A mutation in a C2H2-type zinc finger transcription factor contributed to the transition towards self-pollination in cultivated tomato”的研究论文。本研究证明了SE3.1为C2H2型锌指转录因子，该基因的突变有助于栽培番茄自花授粉的过程。

研究背景

番茄是一种高度保守的自花授粉植物。柱头外露使得番茄雌雄蕊无法正常授粉，因此柱头外露程度对自花授粉效率有大影响。除此之外，番茄种质之间的差异也与柱头的外露表型有很大关系。柱头外露程度的改善对于提高栽培番茄的生产力和固定优势性状至关重要。

研究结果

为了探究番茄柱头外露程度的进化，研究者从花药长度、花柱长度和子房长度等花的形态特征中寻找与柱头外露程度相关的基因。并且对 277 个番茄种质进行了全基因组关联分析（GWAS，Genome-wide association study），并发现了一个新的柱头外露相关基因SE3.1 。研究者重新注释了基因的结构，该基因编码C2H2型锌指转录因子。使用SE3.1pro:GUS的转基因植株检测GUS活性，显示该基因在花药、花柱和子房中表达量很高。

基于ITAG2.3注释，不同种质间，单核苷酸多态性（SNP）位于Solyc03g098070预测起始密码子上游3bp处。除此之外，更新的ITAG3.2注释显示，该基因上游还存在一个编码序列。SE3.1 中C/T单碱基的突变，产生了一个过早的终止密码子。研究者通过DNA扩增获得了SE3.1 T等位基因的TS-9，TS-7和TS-46序列；及SE3.1C等位基因的TS-278，TS-136和TS-225序列。

图1 SE3.1中的C/T多态性导致了翻译的过早终止

为了证实SE3.1C/T多态性调控柱头外露的程度，研究者构建载体并转入携带SE3.1T等位基因的TS-9植株中。实验结果显示，SE3.1主要通过调控花药和花柱的长度来控制柱头外露的程度。此外，SE3.1C等位基因参与平柱头的表型，而SE3.1基因的缺失导致柱头内陷。为了深入了解柱头表达程度的形态变化，研究者对SE3.1C过表达植物及其野生型TS-9、se3.1-1突变体及其野生型TS-278在不同发育阶段的花进行了解剖。表明柱头扩张的程度是在花发育的中期决定的。

图2 不同花发育阶段，柱头的表达程度

统计显示，se3.1突变体的自花授粉率高于野生型TS-278。结合se3.1突变体中柱头表达的程度的降低，表明SE3.1通过调节柱头表达的程度来影响自花授粉率。

此前有报道，Style2.1是一个直接调控柱头发育的关键基因。该基因启动子区域450bp的缺失，导致柱头内陷的表型。研究者首先进行了SNP分析。然后通过将se3.1和style2.1单突变体杂交得到se3.1 style2.1双突变体。野生型TS-19柱头展现外露的花柱，style2.1突变体柱头呈平状，而双突变体柱头呈内陷状。在TS-19背景中，se3.1单突变体表现出柱头外露。结合以上数据，研究者得出结论，两个基因的缺失都诱导柱头从外露向内陷的转变，首先是Style2.1的缺失导致外露柱头向平柱头的转变，然后SE3.1的缺失导致平柱头到内缩柱头的转变。