2024年7月26日，中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所張永山研究員團隊在Plant Biotechnology Journal（影響因子10.1）雜志上發(fā)表了題為“GhSBI1, a CUP-SHAPED COTYLEDON 2 homologue, modulates branch internode elongation in cotton"的文章，該研究借助DAP-seq和轉(zhuǎn)錄組等技術，鑒定了GhSBI1下游靶標基因，揭示了其對棉花果枝節(jié)間伸長的抑制作用機制。

研究背景：

棉花（Gossypium）是世界上主要的天然纖維來源，也是重要的油料和蛋白作物。理想的株型結(jié)構(gòu)可提高棉花單位面積產(chǎn)量和機械化采收的效率。果枝長度是棉花株型重要的影響因子，適合高密度種植的緊湊株型結(jié)構(gòu)是棉花重要的育種目標。鑒定調(diào)控棉花果枝長度的基因，并揭示其調(diào)控株型等農(nóng)藝性狀的分子機制具有重要理論價值和應用前景。

實驗設計：

轉(zhuǎn)錄組研究：對照組YZ-1，GhSBI1過表達處理組OE1和OE2，所有樣本均采集三個生物學重復，進行轉(zhuǎn)錄組測序。

DAP-seq研究：轉(zhuǎn)錄因子GhSBI1，從標準遺傳株系陸地棉莖尖提取基因組DNA。

主要研究結(jié)果：

01  轉(zhuǎn)錄組測序

利用轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果獲得組間差異基因的表達情況。通過對兩個GhSBI1過表達處理組（OE1和OE2）進行轉(zhuǎn)錄組測序來識別GhSBI1影響的基因。轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果顯示，差異基因顯著富集在植物激素信號通路。

圖1 GhSBI1調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果

 02  DAP-seq分析

DAP-seq分析結(jié)果共鑒定出19,555個peak（富集區(qū)域），其中3,532個（18%）結(jié)合位點位于啟動子（ATG上游≤3 kb）區(qū)域。對注釋到啟動子的peak相關基因（3,466個）進行GO富集，分析結(jié)果顯示，這些基因在細胞分裂或細胞壁組織相關的生物過程中顯著富集。同時還檢測到轉(zhuǎn)錄因子GhSBI1較可靠的結(jié)合motif：5’-GDTTRCTTGTNNNACAAGYAAHC-3’。

圖2 通過DAP-seq 在全基因組范圍內(nèi)鑒定GhSBI1結(jié)合位點

03 DAP-seq與轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析

作者將DAP-seq數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析來進一步確定GhSBI1直接調(diào)控參與棉花節(jié)間伸長的核心基因。聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)464個重疊基因，其中172個基因（37個上調(diào)和135個下調(diào)）在GhSBI1過表達處理組OE1和OE2之間是共同存在的。作者選擇其中與激素生物合成/信號傳導或細胞擴張相關的基因進一步分析，候選基因是GID1B，JAZ8，GA3OX1，EXPANSIN 11。隨后利用電泳遷移率實驗EMSA驗證了GhSBI1在體外與目標基因的核心motif的結(jié)合。通過雙熒光素酶報告實驗（Dual-LUC）發(fā)現(xiàn)，在GhGAI3的幫助下，GhSBI1可以抑制靶基因的表達（GhJAZ8-1_Dt除外）。實驗結(jié)果表明GhSBI1通過直接與赤霉素生物合成/信號傳導或細胞擴張基因的啟動子結(jié)合，抑制靶基因的表達，導致棉花枝節(jié)間伸長的減少。

圖3 GhSBI1對棉花節(jié)間伸長基因的直接調(diào)控

結(jié)果與討論：

GhSBI1是棉花株型的重要調(diào)節(jié)因子，其表達增加會使棉花果枝和葉柄節(jié)間縮短，敲除GhSBI1也會導致節(jié)間長度減少，因此適當?shù)?i>GhSBI1表達水平對棉花節(jié)間正常伸長至關重要。GhSBI1可與GhGAIs相互作用，通過影響赤霉素生物合成和信號轉(zhuǎn)導途徑的關鍵基因來調(diào)節(jié)果枝節(jié)間伸長。該研究成果為棉花株型和產(chǎn)量的分子改良提供了基因儲備和材料基礎，為棉花株型調(diào)控分子機制解析提供了新思路。

圖4 GhSBI1影響棉花節(jié)間長度的調(diào)控機制模型

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