科學家揭秘大白菜葉片為何能“抱團”

大白菜葉球抱合方式：舒心、合抱、擰抱和疊抱。河北農大供圖

結球初期突變體球葉明顯向內卷曲；結球中后期突變體表現為合抱結球，對照組為舒心結球。河北農大供圖

近日，河北農業大學蔬菜遺傳育種團隊在美國《國家科學院院刊》（PNAS）上發表研究論文，闡明了BrOPS基因介導油菜素內酯（BR）信號途徑，調控大白菜葉片抱合方式的分子機理。

論文共同第一作者、河北農業大學教授馬衛介紹，葉球是結球蔬菜（大白菜、甘藍、生菜等）的重要商品器官。結球葉片作為營養儲存器官，直接影響著葉球的品質和經濟價值。然而，結球性狀是由多基因控制的數量性狀，且容易受環境影響，導致結球的研究具有極大的挑戰性。

該研究團隊基于已創制的大白菜單堿基突變體庫，鑒定獲得了一份葉球合抱突變體ic1，其野生型為舒心結球。遺傳分析表明，該合抱突變性狀為單基因隱性控制。進一步測序定位了候選突變基因BrOPS，該基因突變導致大白菜由舒心結球變為合抱結球。

通過一系列分子互作實驗篩選，該團隊鑒定到BrOPS的互作蛋白為GSK3激酶BrBIN2。BrBIN2是油菜素內酯信號轉導途徑中的重要因子，能夠磷酸化下游轉錄因子，以抑制油菜素內酯信號途徑響應。

研究發現，結球初期突變基因BrOPS優勢表達，而且油菜素內酯的濃度顯著高于苗期。因此得到結論，突變基因BrOPS的高表達抑制了BrBIN2對下游轉錄因子BrBES1的磷酸化，從而降低了對油菜素內酯信號途徑的抑制作用。

轉錄因子BrBES1直接與葉片背腹極性基因BrAS1啟動子結合，從而抑制BrAS1的轉錄。因此葉球合抱突變體中，突變基因BrOPS的高表達也導致了BrAS1的高表達，最終使得葉片向內卷曲，形成合抱結球。

該研究首次解析了BrOPS-BrBIN2-BrBES1-BrAS1分子模塊調控大白菜葉球合抱的分子機理，構建了油菜素內酯信號轉導途徑調控大白菜葉球發育的分子網絡，為結球蔬菜育種提供了新思路。

河北農業大學蔬菜遺傳育種團隊教授趙建軍和申書興為論文通訊作者，張曉孟博士、馬衛教授、劉夢洋副教授為論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金重點和面上項目、河北省自然科學基金創新群體等項目資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2208978119