Genetic convergence underlies plant prickle development.(A and B) Motivating question (A) and trait system (B). (C to E) Mapping of prickleless (pl) revealed PL to be a LOG cytokinin biosynthetic gene (C), with homologs responsible for prickle losses across the Solanum (D) as well as in distantly related vascular plant lineages (E). (F) Demonstrated strategy to predictably eliminate prickles through genome editing without apparent pleiotropy. Chr, chromosome; My, million years; Mya, million years ago; WT, wild-type.通过对各种茄子物种及其野生近缘种的遗传图谱和基因组测序，Satterlee等人发现了一个在所有丧失皮刺的情况下被破坏的基因--LONELY GUY（LOG）家族的一个基因。LOG基因参与植物激素细胞分裂素的合成。一个名为PRICKLELESS（PL）的特定基因经历了独立的剪接位点突变，导致了功能缺失的转录本。在多刺茄属植物中，野生无刺物种从有刺祖先中起源了大约30次。在这30次刺的丧失中，近一半也存在PL基因的破坏。这些破坏在某些情况下发生在与某种茄属物种相同的位置，但其他情况下则不同，表明在同源基因中发生了独立的突变。因此，相同（同源）的基因成为重复选择的目标，导致了多刺茄属物种中刺的丧失。
Fig. 1. Prickles evolved convergently across vascular plants and were lost repeatedly in the spiny Solanum lineage.(A) Phylogeny, from (5), and corresponding images of representative vascular plants that independently evolved prickles. Numbers in parentheses indicate the number of identified independent evolutionary origins of prickles. MYA, million years ago. (B) Phylogenetic tree [adapted from (10, 11)] of the spiny Solanum (subclades Wendlandii, Nemorense, and Leptostemonum) with species having lost prickles highlighted in red. Representative images of narrow and broad-based prickle morphologies are shown. (C and D) Images of Solanum taxa that have lost prickles captured from living (C) and herbarium (D) collections. Numbers correspond to species shown in (B).为了回答关于LOG基因进化的问题，Satterlee等人生成了一套强大的遗传和基因组资源。这些资源包括S. aethiopicum、S. macrocarpon、S. prinophyllum和S. cleistogamum的高度连续的基因组序列。为所有茄属物种开发并应用了插入和修改植物遗传信息的方法，允许使用CRISPR-Cas9基因组编辑技术破坏PL基因，并确认其确实控制刺的形成。为了分子定位无刺表型，每个物种与其最近的野生近缘种杂交，生成了一个作图群体，这使得作者能够验证PL可能是控制猩红色茄子无刺现象的唯一基因，而在Gboma茄子中是两个基因之一。此外，作者开发了一种病毒诱导的基因沉默方法来减少玫瑰中相关LOG基因的表达。总之，这些工具进一步确认了减少LOG基因表达或改变LOG蛋白可以阻止刺的形成。
Fig. 2. Losses of prickles in three domesticated Solanum species are caused by independent mutations in a LOG cytokinin biosynthetic gene.(A) Fine mapping of pl in a mapping population derived from a cross between brinjal eggplant (S. melongena) and its wild progenitor species (S. insanum). (B) Genome sequencing and chromosome-scale assemblies of two African eggplants, the scarlet eggplant (S. aethiopicum) and the Gboma eggplant (S. macrocarpon), reveal synteny of the pl locus. Genome summary statistics are indicated. (C) Independent mutations in a LOG gene in the pl interval in all three prickleless crop species. UTR, untranslated region. (D) Mis-splicing of PL transcripts caused by the pl mutations in the Bringal eggplant pl (Smelpl) and the Gboma eggplant pl (Smacpl) confirmed by RT-PCR. SinsPL-IL denotes an introgression of S. insanumPL into the brinjal eggplant genomic background. (E) Quantitative trait locus sequencing (QTL-seq) identifies two loci that independently cause the prickleless phenotype in the Gboma eggplant. SNP, single-nucleotide polymorphism. (F) Phenotypes resulting from CRISPR-Cas9 genome editing of SaetPL in a prickled S. aethiopicum accession. Arrowheads indicate prickles.开花植物的基因组中约有12个LOG基因，其数量因系谱特定的基因复制和倍性而异。这些复制为进化选择新功能提供了额外的拷贝。在水稻和大麦（禾本科）和枣（鼠李科）等不同的物种中，已经证明了LOG基因控制皮刺的形成，这表明进化反复选择细胞分裂素途径来驱动这些尖锐防御结构的发育。在大多数情况下，用于刺形成的LOG基因拷贝来自于与PL及其同源基因（LOG1分支）相同的亚系，尽管在一些情况下，如在禾本科植物中，它来自不同的亚系。同源性的缺乏证明了刺的起源确实是独立的，正如先前的系统发育分析所示。
Fig. 3. Mutations in PL are associated with prickle suppression across the spiny Solanum. PL variants with strong probable deleterious effects on gene function identified in prickle-suppressed taxa but not in closely related prickled sister taxa. Mutations are numbered and shown along with their corresponding species name and sample source in the table below. In the tables, bold text indicates cultivated species, an asterisk (*) indicates that genotyping was performed on archival herbarium samples, and other symbols (†, ‡, and §) indicate species pairs that share identical but not necessarily ancestral mutations. TE, transposable element; My, million years.LOG基因编码一种细胞分裂素激活剂，功能在生物合成途径的最后一步。通过LOG（一种磷酸核糖水解酶）的单一反应从前体中释放自由的细胞分裂素。在这方面，LOG酶是分子开关，组织中功能酶的存在驱动了细胞分裂素的局部释放，而酶的缺失或功能丧失则阻止了这种释放。在茄属中，皮刺的存在与功能性PL的存在相关。在许多情况下，PL是皮刺形成的简单直接控制器，尽管在少数情况下可能涉及其他基因（如Gboma茄子）。
Fig. 4. Losses of convergently evolved prickles across angiosperms are associated with LOG mutations.PL在茄属中是从一个保守的遗传背景中被选择的。LOG基因的共表达模式在双子叶植物（开花植物中具有两个胚乳叶的植物）中通常是保守的。与PL及其在拟南芥中的同源基因（AthaLOG1）共表达的LOG基因集相似。同样，PL周围的基因组区域至少自多刺茄属和番茄的共同祖先以来是保守的（番茄本身是没有刺的）。然而，在森林茄属植物中，PL的表达与其番茄同源基因的表达不同，在花分生组织和刺中的表达更高。一个有吸引力的假设是，PL表达调控的变化导致了在花组织中表达增加，并在植物其他部分的表皮中出现异位表达，尽管这种调控变化仍有待发现。细胞分裂素是具有多种功能的植物生长和发育的多样化化合物。因此，它们似乎不是特定谱系和细胞类型特定功能的明显候选者，如促进果实和茎表皮生长物的生长。人们会期望突变可能具有高度的多效性。然而，Satterlee等人在多种物种中破坏PL基因，除了刺的丧失外，没有观察到形态或发育上的变化。LOG控制刺形成的特异性及其缺乏不良副作用有助于解释该基因及其控制的结构在进化时间上的反复获得和丧失。
Fig. 5. The Solanum PL gene was co-opted from an ancestral gene duplication event enabling nonpleiotropic editing of PL for crop improvement.PL基因的鉴定、广泛基因组工具的开发以及对PL和其他LOG基因的编辑潜力为农业和自然生态系统中的实验铺平了道路。在有刺的物种中，基因编辑可以一步产生无刺的植物，同时保持生长和发育的其他方面不变。这对驯化和作物改良具有明显的意义。基因编辑植物还可用于检验刺的生态作用。机械防御对植物来说可能是昂贵的，当防御的代价高于被攻击的代价时，刺的丢失应受到青睐。具有野生型PL基因的植物及其PL编辑的后代将是基因上相同的，允许直接评估机械防御本身的作用，而无需控制遗传背景的变异。这种方法将允许通过变化食草动物的类型和数量的实验，展示哪些最能影响植物的适应性，从而选择皮刺。结合这种评估和对蛋白质序列和调控基因元件的选择分析，可以为探索自然和农艺选择开辟新的途径。
