POS1基因在茄科植物中的起源及功能进化研究

The Solanaceae family has important economic value, and their fruit sizes vary much. The fruit size variation is the result of adaptive evolution or artificial selection. The regulations of genetic variation in fruit size are important contents of evo-devo. The characterized gene POS1 (Physalis Organ Size 1) is an AP2/ERF transcription factor in Physalis, with two AP2 domains and two CRF domains. Copy variation of 37-bp repeats in the first intron of POS1 alleles result in differential expression of this gene, and the POS1 expression levels are positively associated with cell size and berry size. Preliminary study shows that POS1 seems to be a unique gene in Solanaceae. POS1 and its regulation function in physalis fruit size natural variation may represent a new gene and a new mechanism which is different from the genetic regulation of tomato fruit size domestication. Therefore, the origin of POS1 like gene and its functional differentiation mechanism in Solanaceae deserve further study. The project will do molecular evolution analysis, molecular biological characteristics study and functional study. With comparative analysis throughout the whole story, the project will try to elucidate the origin and functional evolution of POS1 like genes in Solanaceae, and help the breeding of Solanaceous crops.

茄科植物具有重要经济价值，且果实大小变异很大。果实大小的变异是适应性进化或人工选择的结果。阐明果实大小的遗传变异基础是进化发育生物学关注的重要内容。我们在酸浆属中发现的POS1（Physalis Organ Size 1）编码一个含有2个AP2和2个CRF结构域的AP2/ERF类转录因子。该基因第一个内含子中37-bp调控序列拷贝数的变异参与调节POS1的表达量，进而控制细胞大小影响浆果大小。初步研究表明POS1似乎是一个茄科特有的基因，且酸浆属中POS1调控果实大小自然变异的功能很可能代表了一个与番茄大小驯化遗传调控不同的新基因和新机制。因此，POS1类基因的起源及其在茄科中的功能分化机制值得深入研究。本项目拟开展分子进化分析，分子生物学特性分析和相关的功能研究等工作，比较研究贯穿始末，旨在阐明茄科POS1类基因的起源和功能进化等问题，并服务于茄科的遗传改良。

茄科植物果实具有重要的经济价值。果实大小由多基因共同调控，受数量性状位点控制。Physalis organ size 1/cytokinin response factor 3 (POS1/CRF3)是茄科植物一个特有的基因，含有两个CRF结构域和2个AP2结构域。POS1参与毛酸浆果实大小变异的遗传调控，但不影响茄属植物的果实大小，其潜在的分子机制仍然未知。在该项目的研究中，我们发现POS1/CRF3基因可能是通过CRF7和CRF8两个基因融合而产生。多重遗传操作表明，只有酸浆族（Physaleae）毛酸浆的POS1和辣椒的CaPOS1可以通过对细胞大小的正向调节在果实大小控制中发挥作用。在系统发育框架中的比较研究表明，POS1和CaPOS1在花和果实中表达明显增强，而在其他茄科代表植物的生殖器官中无明显的表达。POS1和CaPOS1的亚细胞定位对GA3(10-5M)的处理有相同响应模式。POS1和CaPOS1与细胞扩增相关的某些蛋白发生特异性相互作用。进一步的研究发现，谱系特异性单核苷酸多态性（SNP）导致非酸浆族（烟草属和茄属）中POS1同源基因的第68位氨基酸由组氨酸转变为酸浆族（毛酸浆和辣椒）中精氨酸。用组氨酸替代POS1和CaPOS1中的精氨酸可以完全消除它们与钙网蛋白-3（calreticulin-3，CRT3）的蛋白质-蛋白质相互作用，进而影响他们对果实大小的调控作用。比较转录组学揭示了POS1潜在调控的下游途径，包括油菜素内酯生物合成途径等，而烟草属和茄属POS1可能表现出了这类基因的祖先作用，即响应非生物胁迫。我们的研究表明，不同的表达模式和单核苷酸多态性导致了单个氨基酸的变化，从而建立了新的蛋白质互作谱，这有助于POS1在毛酸浆和辣椒中的共同选择，实现调控果实大小的新功能。这些结果为果实形态进化和果实产量控制提供了新的见解。