作物過度集中選育導致的“遺傳瓶頸 (Genetic bottleneck) ”和品種同質(zhì)化“內(nèi)卷”，已成為制約我國生物育種高質(zhì)量發(fā)展的堵點難題。近日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所許操研究組在Advanced Science上發(fā)表了題為BLADE-ON-PETIOLE Genes Enable Genetic Bottleneck Mitigation Through Cross-Species Repurposing of Floral Persistence Traits的研究論文。與大規(guī)模測序鑒定更多基因的思路不同，該研究將作物演化發(fā)育學(Evo-devo)與我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)對不同作物的個性化需求相結合，創(chuàng)建跨物種個性化定制育種策略，成功將果蔬育種中的“不可用基因”變?yōu)榛ɑ苡N的“可用基因”，為突破生物育種遺傳瓶頸提供新路徑。

植物花器官的衰老與脫落，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和商品價值的重要性狀，但其育種價值在不同植物中存在顯著差異。在番茄等果蔬作物中，花器官授粉后若不能及時衰老脫落，一方面會持續(xù)消耗植株養(yǎng)分，擠占果實發(fā)育所需營養(yǎng)，導致產(chǎn)量下滑；另一方面，殘留花瓣會營造高濕微環(huán)境，增加病原菌侵染風險，還易在果實表面形成疤痕，降低果實商品價值。因此，延遲花器官衰老脫落，在果蔬育種中是典型的不利性狀。而在花卉尤其是鮮切花中，花器官壽命、脫落時間直接決定花朵觀賞周期與貨架期，延緩衰老脫落、延長花朵綻放時長，是提升市場競爭力的關鍵目標。同一性狀在不同物種中的價值差異，為跨物種重新定義基因價值提供了基礎。

研究團隊以番茄為研究模式，系統(tǒng)解析了蛋白相分離參與調(diào)控花器官程序化脫落的新機制。BLADE-ON-PETIOLE（BOP）蛋白是脫落啟動的重要調(diào)控因子，該研究揭示番茄中3個SlBOP基因協(xié)同促進脫落區(qū)特化細胞層形成，從而控制花器官衰老與脫落。進一步研究發(fā)現(xiàn)，SlBOP蛋白含有典型內(nèi)在無序區(qū)（IDRs），能夠發(fā)生液-液相分離，并與轉(zhuǎn)錄因子TFAM1形成異質(zhì)性轉(zhuǎn)錄凝聚體，激活下游脫落基因SlATH1表達，精準調(diào)控脫落區(qū)細胞分化，進而控制花器官程序化脫落。Slbop1/2/3 tfam1突變體花器官不脫落，果實畸形。

基于對上述機制的深入理解，研究團隊將相關知識遷移至茄科花卉植物矮牽牛。通過精準編輯PhBOP基因，獲得了花冠不脫落且衰老顯著延遲的矮牽牛新種質(zhì)。與野生型相比，Phbop1/2/3三突變體花朵盛花期延長約一周，這意味著更長的展示期和貨架期，提升商業(yè)價值；花冠冠幅變大、高度降低，觀賞性顯著提升。此外，該突變體表現(xiàn)出無花粉特性，對花粉過敏人群友好，具有良好的鮮切花應用潛力。

在番茄中被視為“負效應”的BOP相關突變，在矮牽牛中卻可轉(zhuǎn)化為優(yōu)良育種性狀，這種“汝之砒霜，吾之蜜糖”的跨物種遺傳效應打破了傳統(tǒng)對“可用基因”與“不可用基因”的單一認知，為通過作物衍化發(fā)育生物學盤活現(xiàn)有遺傳資源、豐富分子設計育種基因庫、緩解育種遺傳瓶頸提供了新的實踐路徑。

圖. 花器官程序化脫落的調(diào)控機制及跨物種個性化定制育種應用

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所許操研究組已畢業(yè)博士研究生肖楠和在讀博士研究生呂倩雯為該論文共同第一作者，黃小珍副研究員為獨立通訊作者，許操研究員指導了這項研究，張廷浩、鄒玉盼、謝躍、楊丹丹對該工作做出了重要貢獻。該研究得到北京市鄉(xiāng)村振興農(nóng)業(yè)科技項目、國家自然科學基金委、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等的資金支持。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202517112