白菜（Brassica rapa L.）是一种重要的油料和蔬菜作物，也是另外两种重要芸薹属作物——甘蓝（Brassica napus）和芥菜（Brassica juncea）的亚基因组供体。B. rapa从海平面到海拔超过4500米，以及从寒冷到热带地区均有分布，显示出超强的适应性。其亚种或变体出现在广泛的生态条件下，某些已经适应了特定的微气候，以满足人类需求或它们的生存。
植物开花时间是一个重要的生活史特征，是生殖适应性的基础，并对当地生长条件敏感。B. rapa各形态型之间及内部存在广泛的开花时间变化，因此广泛栽培的B. rapa作物是展示驯化或/和育种所创造多样性的理想对象。在这些形态型中，小白菜亚种的菜心变种（B. rapa subsp. chinensis var. parachinensis, Par)是白菜型作物领域内研究不足的成员。Par作为一种在亚洲很常见的蔬菜，其可食用部分包括茎、茎叶和顶生花序。
和其他叶用白菜型作物相比，Par变种表现出两个显著驯化特性：与全年蔬菜适宜性一致的非春化开花；并基于此被进一步驯化，以在华南温暖条件下保持稳定的开花时间。这种稳定性对于保持Par可食部分的质量和产量至关重要，因为不当时间开花会影响它们。换句话说，Par的近期驯化主要集中在对其开花时间向高温的适应上，但这一逐步驯化的过程和遗传基础尚不清楚。
高温可以以多种方式影响B. rapa的开花时间，且在营养生长期和生殖生长期的影响也不相同，所以热胁迫发生的时间至关重要。在本文的研究中，就讨论了高温对B. rapa植株在营养生长期开花时间的影响。2024年6月28日，Nature Communications上线了一篇关于菜心开花时间调控机制的研究论文，“Temperature-dependent jumonji demethylase modulates flowering time by targeting H3K36me2/3 in Brassica rapa”。该研究提出了一个工作模型，即H3K36me2/3去甲基酶在正常条件下不影响农艺性状，但在热胁迫下可以增强菜心的恢复力。该研究收集了来自世界各地的210份种质（附图1a），并进行了基因组测序。其中，有15、51、9、50、41和44个品种，分别来自subsp. oleifera (Ole)、subsp. rapifera (Raf)、subsp. chinensis var. narinosa (Nar)、subsp. chinensis (Pak-Choi, PC)、subsp. chinensis DG (Dark Green, DG)和subsp. chinensis var. parachinensis (Par)等6个形态型。系统发育分析结果表明，Par位于与古老的Raf组最远的位置，而PC最接近根部，DG则位于Par和PC之间的中间位置（附图1c、d和图1a）。在PCA图中，DG在Par和PC之间的过渡特征更加明显（附图1c）。图1. 小白菜亚种的菜心变种（parachinensis, Par）的物种形成逐步模型在表型分析方面，三个组之间的开花时间差异很大（见图1d）。Par是唯一一个不需要春化就能开花的亚种；然而，DG的三个品种仍然可以在没有经历寒冷的条件下开花，这表明一些早熟的遗传组分已经开始在DG的选择中沉积（图1d，左图）。然后，对三个亚种进行了为期4周的春化处理，以确定开花时间的变化。发现PC表现出最长的抽薹期，Par开花期最早，而DG介于两者之间（图1d，右图）。附图3. PC、DG和Par的照片
关于其他形态特征，三个亚种在幼苗阶段彼此相似（附图3，上图）；而在成熟期，PC和DG具有相似的植物结构，DG和Par在叶形和颜色上相似（附图3，下图）。所有这些分子和表型发现表明，Pars进化的逐步选择是：DG起源于一个特定的PC群体，Par随后通过早期开花突变和其他适应当地条件的特征的丰富而从DG分化出来。因此，Par的物种形成可分为两个阶段：DG/PC（从PC到DG）和Par/DG（从DG到Par）。随后，通过全基因组模式分析和数量性状位点（QTL）定位，在耐热的Par中，发现了一个调控热耐受性QTL的候选基因BrJMJ18。BrJMJ18位于A09染色体上的gQTLA09-1区域，在这个位点上，Par和DG之间的核苷酸多样性急剧下降，而相比之下，DG和PC之间没有发现显著的下降（图2d）。BrJMJ18编码一种H3K36me2/3的Jumonji去甲基化酶，它重塑了全基因组的H3K36甲基化。此外，使用了六个非同义SNPs对PC、DG和Par中的BrJMJ18进行了单倍型分析（图2e）。135个基因型中的126个被分为两个主要的单倍型组：PC和DG中的主要单倍型BrJMJ18PC和主要存在于Par中的单倍型BrJMJ18Par（图2f）。BrJMJ18Par在PC中的频率非常低（6.5%，n = 46），在DG中增加到23.1%（n = 39），最后在Par中扩展到90.2%（n = 41）。这些观察结果表明，BrJMJ18Par的变异对于早期B. rapa物种形成不重要，但为随后的物种形成和/或本地适应提供了优势。图3. BrJMJ18转基因菜心植株在温室和田间条件下的开花特性在正常条件下（normal conditions, NC），过表达植株BrJMJ18PC-OX和BrJMJ18Par-OX植株比对照Par更早抽薹（图3a, c）。而高温（high temperature, HT）显著延迟了BrJMJ18Par-OX的抽薹，但不影响BrJMJ18PC-OX植株的抽薹（图3b, c）。为了进一步表征BrJMJ18Par，研究人员通过CRISPR/Cas9技术敲除了Par植株中的BrJMJ18（BrJMJ18Par-CR）。BrJMJ18Par的缺失导致植株在NC和HT条件下晚开花，并且高温诱导的开花延迟在BrJMJ18Par-CR植株中显著扩大，这与BrJMJ18Par-OX植物的变化趋势相似（图3e–h）。随后在隧道温室中，模拟了极端的田间高温条件（白天温度高达52°C，最低降至31°C，而夜间温度在33°C到24°C之间），以进一步表征开花时间。观察发现，BrJMJ18Par-OX比对照晚开花，与温室中HT条件下的变化方向一致（图3i, j）。此外，与其他植株相比，BrJMJ18Par-OX表现出更优越的商业品质（图3i）。以上结果表明，BrJMJ18的两个等位基因在NC下促进开花，但BrJMJ18Par在HT条件下进化出了延迟开花的功能。此外，由于BrJMJ18Par-OX和BrJMJ18Par-CR在高温条件下的一致开花表型，推断BrJMJ18Par可能被高温灭活，这表明BrJMJ18Par在温度依赖的开花时间控制中发挥作用。图5. BrJMJ18Par的过表达植株通过改变BrFLC3的表达来调节开花ChIP-seq和定量PCR实验结果显示，BrJMJ18PC强烈结合到五个BrFLC同源基因中的BrFLC1-3，并且高温在DG中显著加剧了这种结合。而在Par中，BrJMJ18Par只与BrFLC3强烈结合，与DG相反，高温在Par中完全解除了BrJMJ18Par与BrFLC3的结合。图6. 过表达BrJMJ18Par在温室和田间高温条件下都调节了植株生长在温室正常条件下，与对照Par相比，BrJMJ18Par-OX和BrJMJ18PC-OX以及BrJMJ18Par-CR的地上生物量（鲜重）和叶片数量没有或略有下降。然而，在HT条件下，只有BrJMJ18Par-OX比对照增加了生物量和叶片数量（图6a）。
有趣的是，尽管BrJMJ18Par-CR表现出与BrJMJ18Par-OX相似的开花延迟表型，但在HT条件下它们并没有显示出增加的地上生物量和叶片数量（图6）。这表明BrJMJ18Par-OX在HT条件下增强的蔬菜生长，并不仅仅是由于BrJMJ18Par的失活。而ChIP-seq和转录组数据揭示，BrJMJ18Par可以在高温下调节叶绿素的生物合成，以促进植物生长。最后的实验还证明，T345A、Y633C和L654F的氨基酸突变导致了BrJMJ18PC和BrJMJ18Par功能分化，这可能是不同亚种间BrJMJ18功能差异的原因。
附图25. BrJMJ18Par在不同温度条件下的工作模型基于这些发现，该研究提出了一个工作模型，其中H3K36me2/3去甲基化酶在正常条件下不影响农艺性状，但可以增强菜心在热压力下的恢复力。这些发现不仅推进了我们对驯化期间物种形成的理解，也为开发能够应对全球变暖挑战的韧性B. rapa作物品种提供了见解和种质资源。点“在看”给我一朵小黄花 ![]()
