全基因组复制/多倍化是植物适应性进化的重要驱动力。被子植物在进化过程中频繁发生全基因组复制事件，所产生并保留下来的重复基因可通过发生功能分化参与调控植物的生长发育和逆境响应，但目前有关重复基因功能分化的分子机制尚不清晰。十字花科植物经历了多轮全基因组加倍化事件，而芸薹属（Brassica）又在后续进化中发生了一次特异性的全基因组三倍化事件，是研究重复基因功能分化的一个理想类群。蔓菁（Brassica rapa var. rapa）隶属于十字花科芸薹属，是青藏高原地区兼具食用、饲用和药用价值的传统作物。解析蔓菁重复基因功能分化的分子机制，对理解高原植物适应性具有重要意义。

前期，中国科学院昆明植物研究所青藏高原植物进化与适应专题组研究发现TCP转录因子家族成员TCP4参与调控植物紫外UV-B辐射胁迫，相关研究成果发表于Journal of Integrative Plant Biology（Cheng Li et al., 2024, https://doi.org/10.1111/jipb.13648）。近日，该团队进一步解析了蔓菁TCP4重复基因的功能分化及其分子机制。该基因在蔓菁中存在3个拷贝，分别是BrrTCP4、BrrTCP4a和BrrTCP4b，并在蔓菁生长发育过程中呈现不同的表达模式。进一步分析发现BrrTCP4b保守的TCP结构域存在K-Q（赖氨酸-谷氨酰胺）的氨基酸替换，该突变由芸薹属特有的全基因组三倍化事件产生。这一关键氨基酸突变改变了BrrTCP4、BrrTCP4a与BrrTCP4b之间的互作蛋白和下游调控网络。三个拷贝中的BrrTCP4和BrrTCP4a主要参与调控蔓菁的开花途径，而BrrTCP4b则更偏向于调控海藻糖信号途径，并是蔓菁响应紫外UV-B辐射的核心候选调控因子。以上结果揭示了BrrTCP4、BrrTCP4a和BrrTCP4b重复基因的功能分化平衡了蔓菁的生长发育与胁迫响应。该研究加深了我们对基因重复驱动功能分化并促进植物适应性进化的理解。

以上研究结果以Duplication and functional divergence of TCP4 genes in turnip为题在New Phytologist发表。中国科学院昆明植物研究所博士后李程为论文第一作者。

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图1 蔓菁BrrTCP4, BrrTCP4a和BrrTCP4b重复基因平衡蔓菁生长发育与胁迫响应的模式图