中国农业科学院蔬菜花卉研究所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，中国农业科学院蔬菜花卉研究所功能基因课题组和中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员课题组合作，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。相关研究论文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，在前期工作的基础上，蔬菜所和基因组所的研究人员和国内外合作伙伴，利用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，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。蔬菜所博士研究生张慧敏、李帅、基因组所博士后杨丽和研究人员蔡广华为论文第一作者。蔬菜所孙进京副研究员、张忠华研究员为共同通讯作者，基因组所黄三文研究员对该成果进行总体把关和指导。湖南省蔬菜研究所陈惠明研究员、北京大学白书农教授、西北农林科技大学李征教授、上海交通大学蔡润教授、加州大学戴维斯分校William Lucas教授等也参与了该项目的完成。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#来源：食品资讯中心

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