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年12月20日，植物学领域主流期刊PNAS杂志在线发表了题为"ModificationstoaLATEMERISTEMIDENTITY1geneareresponsibleforthemajorleafshapesofUplandcotton(GossypiumhirsutumL.)"的研究论文，该论文显示与拟南芥的LATEMERISTEMIDENTITY1（LMI1）基因同源的HD-Zip转录因子是L-D1基因座的致病基因。经典的秋葵叶形状等位基因在启动子中有一个bp的串联重复，与表达升高相关，而假定的野生型正常等位基因的第三个外显子中的一个8bp缺失会导致移码和截短编码序列。结果表明，亚秋葵是四倍体棉花的祖先叶片形状，产生了秋葵等位基因，而正常叶是一个活跃的突变等位基因，占主导地位并定义了栽培棉的叶片形状。秋葵品种中LMI1样基因的病毒诱导基因沉默（VIGS）诱导了正常的叶片形成。该基因赋予的叶片发育变化与光合作用的转录组特征相关，从而证实了育种者利用其产生优良的棉花表型。
叶子是农作物中光同化作用的主要来源。对潜在的叶片形态遗传结构的精确了解对于设计具有气候适应性的农作物品种至关重要。理想的棉花品种在过渡到高叶黄秋葵叶的上部冠层之前，将产生较低的宽阔，正常叶片的冠层。在这里，我们揭示了棉花的主要叶片形状受秋葵基因座的控制，该秋葵基因座编码一个HD-Zip转录因子GhLMI1-D1b。使用基因沉默，我们暂时诱导了秋葵中正常的叶片形成，从而验证了候选基因，并在棉花中创建了叶片形状的表型。这项研究确定了负责棉花叶片形状的单个基因座，从而扩大了育种者生产优质棉花品种的遗传工具箱。
图1.秋葵，亚秋葵和超级秋葵突变赋予叶片形状的形态分析。
（A，从左到右）代表正常，亚秋葵，秋葵和超级秋葵叶片形状表型的叶片。（B）代表叶片形状的本征叶沿着EFD分析的谐波序列计算出的沿着每个主分量（PC）轴的±3.5SD。（C）提供了每台PC解释的百分比差异。PC1和PC3（未显示PC2，因为它解释了不对称的形状变化）将正常和各种秋葵叶形状类别分开。还提供了95％置信度椭圆。（D）LDA最大化了对正常和秋葵叶片形状类别的区分。示出了LD1和LD2，并且示出了叶的表型类别之间的百分比分离。还提供了95％置信度椭圆。（E）使用线性判别法构造的混淆矩阵，显示实际叶片形状与预测叶片形状。单独的叶片形状可以区分正常，亚秋葵，秋葵和超秋葵叶片类型。（F）正常，秋葵和超级秋葵茎尖的SAM，P1和P2叶原基的SEM。注意超秋葵的P2中相对于正常瓣的移位。（G）正常和秋葵茎尖的SEM显示，相对于正常，秋葵的叶片原基发育的P4期显示出更明显的叶片。颜色：正常，红色；秋葵，蓝色；亚秋葵，绿色；超级秋葵，紫色。[比例尺为μm（F）和μm（G）。]
图2.遗传解析陆地棉中的L-D1基因座。
（A）基于双亲图谱的L-D1基因座的遗传图谱。（B）LD1基因座到测序D基因供体（雷蒙德氏酵母）2号染色体（kb，34个推定基因）的直系图谱定位。（C）来自二倍体供种G.arboreum的同源laciniate(L-A2)位点(kb,10个假定基因)（D）使用关联作图面板和两组（BC8和BC3）等基因系（52kb，假定的四个基因）对L-D1基因座进行精细作图。（E）关联分析统计数据，调整L-D1基因座的候选基因区域内变体的种群结构。
图3.不同叶片形状下GhLMI1-D1b基因的核苷酸多态性和qRT-PCR分析候选基因的表达。
（A和B）种植后约90d时，等值线（n=3）中叶片形状候选基因（GhLMI1-D1a和GhLMI1-D1b）的相对转录水平。在叶片形状之间，GhLMI1-D1a的表达没有差异，但秋葵和超级秋葵中GhLMI1-D1b的表达显着增加。误差棒代表倍数变化的SD。（B）星号表示统计学上的显着差异，如P0.05时通过未配对的t检验确定。（C）核苷酸多态性四倍体棉花的四个主要叶片形状中的GhLMI1-D1b基因。推定启动子中的bp串联重复区仅在秋葵和超级秋葵中发现，并与基因表达升高平行。仅在正常情况下发现8bp缺失，并引起移码突变和提前终止密码子。所有其他多态性都是对基因表达和蛋白质功能影响未知的SNP。Subokra被设置为与其他三种叶片形状进行比较的标准。
图4.使用VIGS对GhLMI1-D1b进行功能表征。
（A）来自VIGS实验的代表性第六片真叶和4周龄植物显示在GhLMI1-D1b沉默处理中恢复了正常叶片形状。（B）沉默的GhLMI1-D1b和对照LA-Okra植物（n=3）中候选基因的相对转录水平证实了GhLMI1-D1b的有效敲低。星号表示统计学上的显着差异，这是由*P0.05的未配对t检验确定的。（C）GhLMI1-D1a的转录水平不受VIGS处理的影响，证实沉默是GhLMI1-D1b特异的。
图5.不同棉叶形状之间LMI1样基因的功能预测和系统发育分析。
（A）棉LMI1-D1b等位基因中的氨基酸翻译。正常的陆地棉和雷蒙氏棉中的单叶显示出截短的蛋白质，而具有解剖后的叶片的陆地棉，秋葵，三叶草和苏云金缕梅编码功能性LMI1-D1b蛋白。正常情况下，由8bp缺失引起的移码突变会在7个氨基酸间隔（以红色突出显示）引入额外的亮氨酸（L），这可能会干扰该域的功能。（B）系统发育分析显示秋葵，亚秋葵和超级秋葵之间的紧密关系，而与苏云金芽孢杆菌或三叶金缕梅没有密切关系。相反，正常的CDS似乎与雷蒙式棉更为紧密相关。
图6.P2期原基中秋葵和正常叶片形状的转录组学比较。
（A）正常和秋葵茎尖的SEM。（比例尺，μm。）手工解剖P2期叶原基（以绿色突出显示）并进行IlluminaRNA测序。（B）正常和秋葵P2样本（数据集S4–S6）之间显着差异表达（错误发现率≤0.05）的个基因的热图可视化。正常和秋葵生物学重复的每百万值的缩放和居中读数分别绘制在左三栏和右三栏中。黄色表示上调，蓝色表示下调的表达值。（C）突出显示三种功能类别的正常和秋葵P2样品之间的基因表达差异-橙色的发育调节剂，蓝色的细胞周期和绿色的光合作用相关转录本。
DanielH.Chitwood和VasuKuraparthy为该论文的通讯作者，RyanJ.Andres为第一作者。该研究受到theNorthCarolinaCottonGrowersAssociationInc.andNationalScienceFoundationGrants基金的支持。
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