Origin of a self-compatibility associated MITE in Petota and its application in hybrid potato breeding

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-03-31 DOI:10.1111/nph.70093

Saihang Zhang, Qinggang Liao, Zhan Zhang, Xu Zhu, Yuxin Jia, Yi Shang, Ling Ma

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Petota自亲和相关MITE的来源及其在杂交马铃薯育种中的应用

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全球150个国家超过13亿人口消费的主要作物，对全球粮食安全具有至关重要的意义（Stokstad, 2019）。目前，商业马铃薯品种主要源自一个狭窄的四倍体亚群S. tuberosum Group stenotomum，该亚群具有块茎大、产量高等优点(Spooner等，2014；Hardigan等人，2017)。然而，传统的四倍体马铃薯育种面临挑战，包括瓶颈效应导致的遗传变异损失和四倍体复杂遗传导致的育种周期延长(Zhang et al., 2021；Kardile et al., 2022)。二倍体杂交育种以真种子代替块茎进行繁殖，比四倍体育种具有更高的繁殖效率和育种效率。此外，天然产块茎的茄属植物Petota有100多个品种，约70%为二倍体，为育种提供了丰富的遗传资源(Jansky et al., 2016；Wu等人，2023)。然而，在大多数二倍体中观察到自交不亲和（SI），这阻碍了杂交育种所必需的自交系的产生(Ma et al., 2021；Zhang等人，2021)。马铃薯的配子体SI由雌蕊特异性S-RNase和一组花粉特异性S-locus F-box （SLF）基因组成的S-locus控制（Zhang et al., 2009）。一般来说，SLF与self- rnase的相互作用弱，而与非self- rnase的相互作用强，从而阻止了self-受精，保证了SI (Qiao et al., 2004；华,花王,2006;Kubo et al., 2010；赵等人，2022)。因此，自相容性（SC）二倍体马铃薯可以通过敲除自身S-RNase、选择自然存在的低表达S-RNase等位基因或过表达非自我功能slf来实现(Ye et al., 2018；Zhang et al., 2021；赵等人，2022)。值得注意的是，从天然SC基因型如chc525-3和RH89-039-16 （RH）中鉴定出非S-locus F-box基因S-locus inhibitor （Sli）。Sli可以与多个自我和非自我rna相互作用，克服不同基因型的SI，因此在二倍体马铃薯育种中起关键作用(Hosaka &；Hanneman, 1998;Peterson et al., 2016；Clot等人，2020；Eggers等人，2021；Ma等人，2021)。有趣的是，Sli启动子包含一个549 bp的微型倒置转座子元件（MITE）插入（以下称为Mi-549）（Chen et al., 2014）。已知微型倒置转座子元件通过rna定向DNA甲基化（RdDM）改变序列甲基化水平来抑制邻近基因的表达。在这一过程中，CHH （H = A， C或T）甲基化主要由小干扰rna （sirna）引导，并由DNA甲基转移酶结构域重排甲基转移酶-2 （DRM2）催化(Cao &；雅各布森,2002;Calarco et al., 2012)。dicer样蛋白（DCL4， DCL2和DCL3）产生sirna (Axtell, 2013；Wei等人，2014)，随后被纳入Argonaute （AGO）蛋白，特别是专门用于rddm相关sirna的AGO3、AGO4、AGO6和AGO9。AGO-siRNA复合物随后介导RdDM过程，从而在多个水平上调节基因表达（Axtell, 2013）。Mi-549可能在调节Sli花粉特异性表达及其在后代中的严格配子选择中发挥关键作用(Chen et al., 2014；Eggers等人，2021；Ma等人，2021)。然而，mi -549调控Sli表达的机制在很大程度上仍然未知。此外，茄科植物中Mi-549的进化起源是什么？在二倍体马铃薯中，米-549的增加是否伴随着SC表型？在这项研究中，我们发现Mi-549与Sli启动子内DNA甲基化水平降低相关，并影响Sli的组织特异性表达。此外，对393个二倍体系的全基因组测序（WGS）数据进行系统分析表明，Mi-549最早起源于野生近缘，与Sli表达密切相关。更重要的是，从S. lesteri、S. neocardenasii和S. stenotomum三组中鉴定出3个新的SC二倍体品系，扩大了现有的种质资源库，对杂交马铃薯育种具有重要价值。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.