上位效应（epistatic effect; epistasis）是指两个遗传位点同时控制一个性状时，其A位点对B位点的表现具有掩盖作用，使B位点的作用不能表现或不完全表现的效应。根据遗传特性和效应不同，上位效应可分为显性上位，隐性上位等。在传统研究思路中，一般采用缺失或突变遗传位点中关键基因来研究遗传位点之间的上位关系。随着大数据时代的到来，人们发现植物自然群体变异大多发生在非基因编码区，如顺式作用元件等，这些非编码区产生的变异是否存在上位效应，如何起到上位效应等是遗传学研究中还未解决的重要问题。
近日，来自美国冷泉港实验室Lippman团队探究了基因调控区域变异对番茄果室数量调控的上位效应，相关研究结果发表在Science杂志上。模式植物中CLAVATA-WUSCHEL（CLV-WUS）回路精细调控着植物茎尖分生组织的分裂与分化，转录因子WUS的正常表达可促进分生组织分裂与分化，它的功能会受到CLV3小肽的抑制，而同时，WUS可以启动CLV3来抑制WUS自身活性，以此确保植物体能够处于一个正常的生长体积。拟南芥wus突变体失去了分化花器官的能力，而clv3突变体则体积巨大，花器官增多，然而wus/clv3双突变体的表现和wus突变体无异，表明WUS和CLV3之间存在上位关系。在番茄中，存在着一个CLV3同源基因，CLE9，该基因也可以和WUS结合，但是其突变体和野生型表型无异。由于cle9的突变会加剧clv3突变体的表型，因此，在番茄中，理论上还存在有更高一层的上位关系，Lippman团队则基于这三者的关系进行了研究。
首先，研究人员使用CRISPR-Cas9基因编辑系统在clv3启动子上创制了多个等位基因型（clv3pro）（图1），并将这些等位基因型和一个WUS获得型突变体wusCR-lc杂交构建了双突，评估后代表型和基因型效应后发现并不能得到很好的上位性模型，暗示着CLE9和CLV3对WUS的调控不是独立的。
图1：采用CRISRP-Cas9基因编辑系统创制了多种clv3基因的等位基因型，发现单纯通过CLV3表达的变化不能很好解释WUS对表型的塑造效应。
接着，在cle9的背景下，研究人员将clv3pro突变体和与cle9缺失基因型进行组合，获得了24种双突材料（图2）。通过统计不同基因型组合的果实数量，研究人员发现CLE9与CLV3对WUS的调控存在类似指数形式的剂量效应，即CLE9的表达一旦低于或高于某一临界，对WUS的调控效应将被CLV3所遮盖，在这之间，CLE9和CLV3对WUS基因的抑制效应处于一个协同加强的状态（原文表示为Slcle9 effect varied in a threshold-like manner as a function of Slclv3Pro allelic strength.），这或许也解释了为什么cle9的单突并没有出现剧烈表型（图3）。
图2：不同clv3背景基因型组合的代表后代
图3 ：通过统计不同基因型组合下的果室数量，评估CLE9 对WUS 的上位效应
上述结果引起了研究人员的兴趣，为了探究CLE9和CLV3这两者之间上位性变化的临界点，以及WUS基因对这一临界点的响应情况，他们选取了6份clv3pro的突变体并与wusCR-lc和cle9组合成三突进行分析。结果发现，根据原有的模型预测的表型效应和实际存在一定程度的偏离，甚至出现了相反的结果（图4），表明原有的遗传位点上位性互作对会因为全新遗传位点的加入而破坏并进行一定程度的洗牌。
该研究利用基因调控区域的变异对已知遗传位点的上位性进行了细致研究，遗传实验设计宏大，数据统计量也相当庞大，PBJ的解读较片面，强烈建议大家下载原文及附件仔细阅读！
图4：不同clv3pro/wusCR-lc/cle9三突基因型组合存在偏离预测模型的表型
原文链接
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.adi5222
本文来源：植物生物技术pbj
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