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通过操纵无孢子细胞基因建立高效的二倍体无籽西瓜生产系统,New Phytologist

来源：花匠小妙招时间：2025-09-15 15:46

通过操纵无孢子细胞基因建立高效的二倍体无籽西瓜生产系统
New Phytologist ( IF 8.1 ) Pub Date : 2024-09-10 , DOI: 10.1111/nph.20108
Jiao Jiang 1 , Qin Feng 1 , Zijun Zhao 1 , Qiyan Liu 1 , Man Liu 1 , Jiafa Wang 1 , Feishi Luan 2 , Xian Zhang 1 , Shujuan Tian 1 , Shi Liu 2 , Li Yuan 1

介绍

无籽是最受欢迎的农艺性状之一，特别是在食用过程中需要去除硬种子的水果作物中（Pandolfini，2009 年）。西瓜（Citrullus lanatus）就是此类水果的例证，是全球消费量第三大的新鲜水果。无籽西瓜的受欢迎程度正在上升，因为它们易于食用、保质期长和加工产品的增值潜力。对无核西瓜的研究探索了各种技术，例如三倍体产生、激素诱导和染色体易位。目前，三倍体无籽西瓜在商业市场上占据主导地位。这些是通过将四倍体母本与二倍体雄性亲本杂交产生的，由于减数分裂过程中染色体失衡而导致无籽果实（Kihara，1951）。然而，培育四倍体亲本既费力又耗时，涉及二倍体植物秋水仙碱加倍和几代（5-8）的自交以稳定性状和恢复生育能力。此外，三倍体种子的产量、发芽率和存活率低，导致种子生产成本较高（Varoquaux et al.， 2000）。因此，迫切需要一种新颖、安全且高效的生产系统，以满足消费者对无籽西瓜日益增长的需求。

农作物中的无转基因基因组编辑通过突变调节种子形成不同过程的关键基因，为开发有效的二倍体无籽西瓜生产系统提供了显着的优势。据报道，几个基因，包括编码与 MADS 盒转录因子相关的核蛋白的 SPL/NZZ （无孢子细胞/NOZZLE）、编码 DNA 拓扑异构酶 VI-A 亚基的 SPO11-2 （孢子形成 11-2）、编码细胞分裂素信号激活剂的 CKI1 （细胞分裂素非依赖性 1）和 LEC2 （叶子叶 2）编码 B3 结构域转录因子，在孢子发生、配子发生和胚胎发生中起关键作用（支持信息图 S1）（Meinke et al.， 1994;Schiefthaler 等人，1999 年;Yang et al.， 1999;Stacey et al.， 2006;Yuan et al.， 2016）。这些基因的突变导致模式植物拟南芥和番茄产生无籽果实（Hejátko等人，2003 年;Rojas-Gracia等人，2017 年;Fayos et al.， 2019），为建立二倍体无籽西瓜系统提供了有价值的遗传见解。然而，由于来自不同物种的同源基因之间的功能差异，西瓜的有效无核诱导基因仍然需要鉴定和验证。在这项研究中，我们通过突变参与种子形成的关键基因，包括调节孢子发生、配子发生和胚胎发生的基因，建立了一种新的二倍体无籽西瓜生产系统（图 1a）。经过筛选和评估，我们开发了一种高效的 ClSPL 介导的系统，用于生产二倍体无籽西瓜。

图 1

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这 4 个候选基因在西瓜中的表达模式。（a）西瓜生殖发育进展图。ClSPL 、 ClSPO11-2 、 ClCKI1 和 ClLEC2 分别因其在孢子母细胞分化、减数分裂、配子发生和胚胎发生中的关键作用而被选中。（b）实时定量分析雄花、雌花、种子和营养组织中 ClSPL 、 ClSPO11-2 、 ClCKI1 和 ClLEC2 在不同发育阶段的表达。下划线表示减数分裂期。在雄花 MF （1.6–1.8）阶段 5 观察到 ClSPL 的峰值表达。ClSPO11-2 在 MF （1.8–2.0）阶段 6 中表达升高，在根中表达低调。ClCKI1 在雌花 FF （>6.0）中表现出特异性表达。授粉后 7 d （DAP）在种子中显着表达 ClLEC2。FF，雌花;MF，雄花。花径（以毫米为单位）括在括号中。误差线代表 SE。（c–e） ClSPL 、 ClSPO11-2 、 ClCKI1 和 ClLEC2 mRNA 的原位杂交分析。（c）对雄配子体发育第 2、5、6、6-7 和 9 阶段 ClSPL 表达的分析显示显着活性，特别是在小孢子母细胞（MF 第 5 阶段）中。（d）检查雄配子体发育第 5、6、6-7、8 和 9 阶段的 ClSPO11-2 表达揭示了强大的信号，特别是在经历早期减数分裂 I （MF 第 6 阶段）的细胞中。（e）通过 RNA 原位杂交对 ClCKI1 和 ClLEC2 表达的研究显示，在开花当天未受精的雌配子体中特异性表达 ClCKI1，而 ClLEC2 在 7 DAP 时在种子胚胎中表现出特异性表达。Ar，前孢细胞;E，表皮;Em，胚胎;FG，雌配子体;Mc，睑板细胞;ML，中间层;MMC，小孢子母细胞;MSp，小孢子;T，绒毡层。棒材，20 μm。

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