DAP-seq助力揭示GhSBI1調控棉花果枝節(jié)間伸長的分子機制
2024年7月26日，中國農業(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。理想的株型結構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構是棉花重要的育種目標。鑒定調控棉花果枝長度的基因，并揭示其調控株型等農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，進行轉錄組測序。
DAP-seq研究：轉錄因子GhSBI1，從標準遺傳株系陸地棉莖尖提取基因組DNA。
主要研究結果：
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。理想的株型結構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構是棉花重要的育種目標。鑒定調控棉花果枝長度的基因，并揭示其調控株型等農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，進行轉錄組測序。
DAP-seq研究：轉錄因子GhSBI1，從標準遺傳株系陸地棉莖尖提取基因組DNA。
主要研究結果：
1. 轉錄組測序
利用轉錄組分析結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）進行轉錄組測序來識別GhSBI1影響的基因。轉錄組分析結果顯示，差異基因顯著富集在植物激素信號通路。
圖1 GhSBI1調控基因的轉錄組分析結果
2. DAP-seq分析
DAP-seq分析結果共鑒定出19,555個peak（富集區(qū)域），其中3,532個（18%）結合位點位于啟動子（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。同時還檢測到轉錄因子GhSBI1可靠的結合motif：5’-GDTTRCTTGTNNNACAAGYAAHC-3’。
圖2 通過DAP-seq 在全基因組范圍內鑒定GhSBI1結合位點。
3. DAP-seq與轉錄組聯(lián)合分析
作者將DAP-seq數(shù)據(jù)與轉錄組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析來進一步確定GhSBI1直接調控參與棉花節(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個上調和135個下調）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合，抑制靶基因的表達，導致棉花枝節(jié)間伸長的減少。
作者將DAP-seq數(shù)據(jù)與轉錄組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析來進一步確定GhSBI1直接調控參與棉花節(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個上調和135個下調）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控
結果與討論：
GhSBI1是棉花株型的重要調節(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)?em>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導途徑的關鍵基因來調節(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)間長度的調控機制模型
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