Nature Communications| VviPLATZ1调控葡萄雌花的形态建成

      2021年11月30日，植物学顶级期刊Nature Communications（中科院一区，IF=14.919）在线发表了题为“VviPLATZ1 is a major factor that controls female flower morphology determination in grapevine”的研究论文，该研究发现关键的性别决定区，并通过组织特异性表达和基因敲除的方法，解析了VviPLATZ1在调控雌花形成中的作用机制，进一步完善了葡萄从雌雄同株向雌雄异株进化的分子机制。

研究背景

      现代用于生产的葡萄品种为雌雄同株植物，它们通过自花授粉结实，有趣的是，葡萄及其他的葡萄属植物的野生祖先是雌雄异株的。在野生葡萄属植物中，雌性开始开花，产生短的弯曲雄蕊，使得其远离雌蕊，进而减少自花授粉。

决定葡萄性别的基因位于2号染色体的性别决定区。根据葡萄品种/杂交种和栽培种的不同，该基因座的大小在111 kb到837 kb之间变化，但基因序列和功能是保守的。雄性性别决定区包括VviYABBY3和VviSKU5两个基因，雌性性别决定区中包含在内的11个基因。虽然现有研究已经确定了候选的花性别调控基因，但这些基因在雌蕊和花粉发育中的作用尚未有具体的功能分析数据。

研究思路

材料：赤霞珠04C023V0006(H/H)、04C023V0003(f/f)和03C003V0060(M/f)

思路：通过精细遗传图谱定位靶标基因，利用基因编辑确定蛋白功能

研究技术路线

研究结果

01 VviPLATZ1的遗传和分子分析

      雌性性别决定区（FSDR）包含从TPP到WRKY2132的11个基因。为了进一步缩小在FSDR中的基因数量，研究者鉴定了跨越PN40024雌性性别决定区的21个SNP。接着，通过精细遗传图谱定位发现FSDR的5′边界位于TPP基因处，而FSDR的3′边界定位于FMO3基因处，即FSDR包含VviINP1、Exostosin、KASIII、FMO1、FMO2和FMO3在内的7个基因。导致弯曲雄蕊形成的隐性突变，可能会降低雄蕊发育所需候选基因的表达和/或功能。有研究显示，在位于FSDR的七个基因中，的转录物丰度与弯曲雄蕊的发育相关。研究者在04C023V006（H/H）和04C023V0003（f/f）中检测了该基因的转录水平，发现在开花前8和6周的H/H花中表达较高，而在花发育接近完成的开花前四周时显著降低。与H/H相比，f/f在开花前8和6周的雄蕊发育期表达较低。而定位于FSDR的VviINP1、Exostosin、KASIII、FMO1、FMO2和FMO3的转录水平与弯曲雄蕊的形成没有关系。

      H/H和f/f的DNA序列比较确定了中的雌性特异的DNA多态性位点。首先，f/f在第一个密码子中的T点突变为A和A插入，导致起始密码子位置改变和移码突变。此外，在f/f的等位基因中还发现了7个可能会降低蛋白质功能的非同义SNP，包括在PLATZ结构域发生的赖氨酸取代谷氨酸。

图1 FSDR结构和VviPLATZ1序列分析

02 VviPLATZ1在花发育过程中的组织特异性表达

      为了深入研究VviPLATZ1在雄蕊发育中的作用，研究者以04c023v0006(H/H)和04c023v0003(f/f)为材料，分析该基因在花丝伸长过程中的表达模式。在开花前8周时，VviPLATZ1的转录丰度在H/H两性花中显著高于f/f雌花。在两性花中，VviPLATZ1主要在延长的花丝、正在发育的花药和小孢子中表达，而在雌花的花丝、花药和小孢子中的表达相对较低。VviPLATZ1基因在两性花、雌花和雄花的胚珠中表达，表明该基因可能在胚珠发育中发挥功能。基于上述研究，研究者提出VviPLATZ1功能的缺失可能是导致弯曲雄蕊发育的主要因素。

图2 在开花前6周的两性花和雌花中的表达模式

03 对VviPLATZ1进行基因编辑

      葡萄的多年生性质限制了通过反向遗传技术对花发育相关候选基因的有效验证。本文，研究者利用CRISPR/Cas9系统，通过在PLATZ结构域编码区上游第二个外显子的3′端诱导插入缺失，对VviPLATZ1在雄蕊发育中的作用进行功能验证。在T0植株中鉴定出8个基因编辑的等位基因，其中2个为单碱基插入，其余6个为单个或多个碱基缺失。所有的等位基因都改变了阅读框，导致缺少保守PLATZ结构域的不完整蛋白，进而使得VviPLATZ1功能丧失。有趣的是，其中1个T0植物同时存在-1和-2等位基因，被称为-1/2。其他6个T0个体只有1个等位基因突变，为杂合子。

图3 CRISPR/Cas9基因编辑等位基因的分子特征

04 VviPLATZ1功能丧失植株的雄蕊弯曲

      为了确定VviPLATZ1功能缺失是否在雌花形成中起作用，研究者对雌雄同体（H/H）、雌性（f/f）和纯合T1植株的雄蕊形态进行了研究。雌雄同株个体开的花，表现为伸长且直立的雄蕊表型，其雄蕊平均长度为3.0 mm。相反，98%的雌花表现为雄蕊弯曲，另外2%雌花的雄蕊呈直立生长模式，但平均长度仅有1.2 mm。VviPLATZ1-3、-5、-7和-8显示出与雌花相似的表型。在分析的所有7株VviPLATZ1-（1/2-8）植物中，95%至99%的雄蕊显示出弯曲结构，而其余雄蕊发育不良，平均长度为1.4 mm。综上所述，VviPLATZ1的缺失使雌雄同体植株在花发育过程中转变为弯曲雄蕊的雌花。

图4 VviPLATZ1的功能缺失调控弯曲雄蕊的发育

总结

      本文鉴定了VviPLATZ1转录因子是定位于葡萄性别决定区的关键候选雌花形态建成因子。弯曲雄蕊是雌花的一种显著形态表型，而该基因的表达模式与弯曲雄蕊的形成有关。利用CRISPR/Cas9技术对雌雄同体基因型中的等位基因进行基因编辑，发现基因突变产生具有弯曲雄蕊的花。综上所述，本研究结果表明VviPLATZ1的功能丧失是控制葡萄雌花形态的一个主要因素。

-小编点评-

      花发育和施肥相关性状是提高农业和园艺作物产量的关键。植物进化出多个生殖系统以促进异交，包括自交不亲和、雌雄异株和雌雄异熟。虽然自然界中仅有5-6%的被子植物是雌雄异株，但目前大量的重要经济作物都是这种生殖系统。雌雄异株使得植物的杂合度提高，也是很多经济作物基因组至今尚未测通的原因之一。本文，作者通过精确的基因图谱定位、组织特异性表达分析和基因敲除技术，明确了VviPLATZ1的功能丧失是控制葡萄雌花形态的一个主要因素。该研究丰富了我们对雌雄异株向雌雄同株进化的认知，为雌雄异株植物向雌雄同株转变提供基因资源。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27259-8