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功能基因课题组揭示黄瓜显性全雌基因分子作用机制

       近期,威尼斯在线平台功能基因课题组首次证实了黄瓜中显性全雌基因(Female)编码乙烯合成途径中的关键酶ACS1G,并深入研究了其作用机制。相关研究内容《Gain-of-function of the 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase gene ACS1G induces female flower development in cucumber gynoecy》于12月2日在线发表于《The Plant Cell》上。

 


       黄瓜是重要的蔬菜作物,可食用部分是由雌花发育形成的果实,因此,黄瓜雌花率是重要的产量性状。此外,由于黄瓜的花具有多种性别类型,一直是研究单性花调控机制的重要模式植物。因此研究黄瓜雌花的形成机制具有重要的应用价值和科学意义。
       早在二十世纪60代,遗传学家就在黄瓜中发现了三个控制黄瓜单性花性状的重要位点,Female (F),andromonoecious (m), androecious(a)。其中F位点控制显性全雌表型,m基因隐性纯合控制两性花的出现,a 基因隐性纯合控制全雄表型。并且,F 基因上位于 a 基因。为了简明,将这三个重要基因共同控制黄瓜单性花发育的过程,命名为 FAM 模型。近年来,A基因和M基因相继被克隆,分别编码 ACS11和 ACS2,均是乙烯合成途径中的关键酶。
       尽管黄瓜的显性全雌基因(Female)在生产中被广泛应用以提高黄瓜产量,但F基因是什么仍然没有确证。 功能基因课题组前期通过研究黄瓜基因组的结构变异发现,黄瓜的全雌位点,是基因组上一段30.2 kb的串联重复序列。但由于串联重复序列中不只包含ACS1G,也增加了基因的拷贝数,所以这段串联重复序列中究竟哪个基因是促进雌花形成的全雌基因,仍然是一个疑问。
       为回答这个问题,功能基因课题组在前期工作的基础上,利用了CRISPR/Cas9基因编辑技术和EMS诱变相结合,首次证实了F基因是ACS1G基因。且由于基因组的结构变异,使得ACS1G获得了不同于雌雄同株材料中ACS1的启动子和新的表达模式。ACS1G在花芽发育早期与 ACO2基因的重叠表达,使ACS1G获得了决定雌花形成的功能。由于ACS1G 基因在早期花芽中的表达不像 ACS11一样具有选择性,所以所有花芽都发育成雌花,这也解释了F基因上位于隐性全雄基因(androecious)的原因。
       此项研究完整地解释了黄瓜单性花调控的FAM模型,并整合了近年来被克隆的 ACO2和 WIP1基因的功能,结合基因时空表达特异性和不同基因间的遗传关系,提出了一个完整的黄瓜单性花发育调控模型,大大丰富了葫芦科植物单性花调控的网络,对于培育高产瓜类作物也有重要指导意义。
       该论文以威尼斯在线平台为第一完成单位和通讯单位。蔬菜所博士研究生张慧敏、李帅、深圳基因组所博士后杨丽、蔬菜所客座硕士研究生蔡广华,为论文第一作者。威尼斯在线平台孙进京副研究员、张忠华研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、农科院创新工程等项目的资助。

       原文链接:https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaa018/6017177#

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