DAP-seq助力揭示YABBY11轉錄因子調控楊樹葉形自然變異的分子機制

2023年3月，北京林業大學生物學院宋躍朋教授課題組的研究成果發表在了Plant Physiology期刊上（影響因子7.4），文章題目為 “Enhanced genome-wide association reveals the role of YABBY11-NGATHA-LIKE1 in leaf serration development of Populus"的研究論文。該研究使用DNA親和純化測序(DAP-seq)技術鑒定了楊屬YABBY11轉錄因子的結合基序和靶基因。發現YABBY11與楊樹葉形自然變異顯著關聯，為探索理想葉形遺傳改良奠定了理論基礎。

該研究發現，在毛白楊基因組中，YABBY11由于存在提前終止位點（PtoYAB11^PSC），從而導致鋅指結構域缺失，進而失去了對下游靶基因PtoNGAL-1與PtoRBCL的轉錄激活作用，使葉緣鋸齒加劇、葉面積增大、光合利用效率提升。

圖 1 楊樹自然群體葉形變異顯著

楊樹葉片形態變異豐富，在種間與種內都存在顯著的自然變異。為了闡明楊樹葉片形態自然變異的遺傳學基礎，以毛白楊與小葉楊種質資源群體為材料，發現在兩個關聯群體中，基因型-表型關聯顯著性最高的SNPs均位于YABBY11基因上。在毛白楊群體中，YABBY11具有提前終止位點（PtoYABBY11^PSC），導致與DNA結合的鋅指結構域全部丟失，僅保留了核定位信號。以YABBY11為候選基因構建系統發育樹，顯示提前終止位點僅存在白楊派中，暗示了YABBY11^PSC可能是一個白楊派特異的基因變體。

圖 2 基于持續同調拓撲數據高通量量化的全基因組關聯分析

圖3 楊屬YABBY11基因系統發育樹

為闡明PtoYABBY11^PSC攜帶的提前翻譯終止位點是否改變了YABBY11下游的轉錄調控網絡，研究者利用表達數量性狀位點定位策略（eQTNs）分別對毛白楊和小葉楊群體YABBY11核酸變異與表達量進行分析。在毛白楊群體中，97個SNPs與55個基因表達量顯著關聯。在小葉楊群體中，共發現61個SNPs與52個基因形成表達量顯著關聯。靶基因功能注釋結果顯示，PtoYABBY11^PSC與PsiYABBY11下游轉錄調控網絡基因顯著不同，暗示PtoYABBY11^PSC攜帶的提前翻譯終止位點已經顯著改變了毛白楊YABBY11下游的轉錄調控網絡。

圖 4 PsiYABBY11基因通過順式作用元件與下游靶基因相互作用

使用DAP-seq技術，對具有完整轉錄因子結構的PsiYABBY11下游靶基因進行篩選，在164個基因上共篩選到220個PsiYABBY11互作位點，其中37.5%的互作位點位于轉錄起始位點上游2000 bp范圍內。對PsiYABBY11下游靶基因進行KEGG通路注釋，PsiYABBY11的下游靶基因主要富集在photosynthesis, oxidative phosphorylation, starch and sucrose metabolism, 以及 ribosome等通路中。聯合eQTNs與DAP-seq分析結果，共篩選出NGAL1, RBCL, PHOTOSYSTEM II REACTION CENTER PROTEIN B (PSBB), ATP SYNTHASE SUBUNIT ALPHA (ATPA)以及ATP SYNTHASE EPSILON CHAIN (ATPE) 基因為PsiYABBY11的下游靶基因。酵母單雜交與EMSA實驗進一步驗證了PsiYABBY11可以和NGAL1 與RBCL基因的啟動子直接結合。雙熒光素酶實驗結果表明PsiYABBY11能夠激活NGAL1 與RBCL基因表達。酵母單雜實驗結果進一步證明了NGAL1與其下游生長素響應靶基因CUC2也存在相互作用。該結果表明，YABBY11-NGAL1-CUC2 可能通過調控楊樹葉邊緣發育進而導致葉片形態的自然變異。

圖 5 PsiYABBY11與PtoYABBY11^PSC分子功能解析

在PtoYABBY11^PSC與PsiYABBY11的過表達株系中， PtoYABBY11^PSC-OE植株葉長、葉寬、葉面積顯著增加，光合作用效率顯著提升，葉片邊緣鋸齒顯著加劇。PtoYABBY11^PSC-OE植株葉長、葉寬、葉面積顯著減小，光合作用效率降低，葉片邊緣光滑，但是葉脈厚度與氣孔密度顯著增加。 PtoYAB11^PSC-KO的基因敲除突變植株葉片邊緣光滑，但是光合作用效率與葉片面積沒有顯著改變。

圖 6 楊屬YABBY11調控葉形自然變異的分子機制

以上研究結果表明， YABBY11激活NGAL1的表達，進而抑制CUC2基因表達，調控光滑葉緣的形態發育。同時，YABBY11 激活RBCL基因表達，導致Rubisco大小亞基裝配失調，進而光合作用效率下降。而在白楊派樹種中，YABBY11^PSC由于攜帶翻譯提前終止位點，喪失了對NGAL1-CUC2模塊以及RBCL基因的轉錄調控作用，進而導致葉片面積增大、葉片鋸齒加劇、光合作用效率提升。此外，YABBY11在毛白楊與小葉楊中均對脅迫信號響應敏感，暗示了YABBY11-NGAL1-CUC2可能是基因組與環境信號互作調控葉形變異的關鍵分子調控模塊。該模塊為系統了解葉形響應外界環境信號產生自然變異提供了一個全新的視角，為探索理想葉形遺傳改良奠定了理論基礎。