近期，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所功能基因課題組和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文研究員課題組合作，首次證實了黃瓜中顯性全雌基因（Female）編碼乙烯合成途徑中的關(guān)鍵酶ACS1G，并深入研究了其作用機制。相關(guān)研究論文“Gain-of-function of the 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase gene ACS1G induces female flower development in cucumber gynoecy”于12月2日在線發(fā)表于《The Plant Cell》上。
黃瓜是重要的蔬菜作物，可食用部分是由雌花發(fā)育形成的果實，因此，黃瓜雌花率是重要的產(chǎn)量性狀。此外，由于黃瓜的花具有多種性別類型，一直是研究單性花調(diào)控機制的重要模式植物。因此研究黃瓜雌花的形成機制具有重要的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。
早在二十世紀(jì)60代，遺傳學(xué)家就在黃瓜中發(fā)現(xiàn)了三個控制黃瓜單性花性狀的重要位點，F(xiàn)emale （F），andromonoecious （m）， androecious（a）。其中F位點控制顯性全雌表型，m基因隱性純合控制兩性花的出現(xiàn)，a 基因隱性純合控制全雄表型。并且，F(xiàn) 基因上位于 a 基因。為了簡明，將這三個重要基因共同控制黃瓜單性花發(fā)育的過程，命名為 FAM 模型。近年來，A基因和M基因相繼被克隆，分別編碼 ACS11和 ACS2，均是乙烯合成途徑中的關(guān)鍵酶。
盡管黃瓜的顯性全雌基因（Female）在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用以提高黃瓜產(chǎn)量，但F基因是什么仍然沒有確證。 功能基因課題組前期通過研究黃瓜基因組的結(jié)構(gòu)變異發(fā)現(xiàn)，黃瓜的全雌位點，是基因組上一段30.2 kb的串聯(lián)重復(fù)序列。但由于串聯(lián)重復(fù)序列中不只包含ACS1G，也增加了基因的拷貝數(shù)，所以這段串聯(lián)重復(fù)序列中究竟哪個基因是促進(jìn)雌花形成的全雌基因，仍然是一個疑問。
為回答這個問題，在前期工作的基礎(chǔ)上，蔬菜所和基因組所的研究人員和國內(nèi)外合作伙伴，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)和EMS誘變相結(jié)合，首次證實了F基因是ACS1G基因。且由于基因組的結(jié)構(gòu)變異，使得ACS1G獲得了不同于雌雄同株材料中ACS1的啟動子和新的表達(dá)模式。ACS1G在花芽發(fā)育早期與 ACO2基因的重疊表達(dá)，使ACS1G獲得了決定雌花形成的功能。由于ACS1G 基因在早期花芽中的表達(dá)不像 ACS11一樣具有選擇性，所以所有花芽都發(fā)育成雌花，這也解釋了F基因上位于隱性全雄基因（androecious）的原因。
此項研究完整地解釋了黃瓜單性花調(diào)控的FAM模型，并整合了近年來被克隆的 ACO2和 WIP1基因的功能，結(jié)合基因時空表達(dá)特異性和不同基因間的遺傳關(guān)系，提出了一個完整的黃瓜單性花發(fā)育調(diào)控模型，豐富了葫蘆科植物單性花調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)，對于培育高產(chǎn)瓜類作物也有重要指導(dǎo)意義。
蔬菜所博士研究生張慧敏、李帥、基因組所博士后楊麗和研究人員蔡廣華為論文第一作者。蔬菜所孫進(jìn)京副研究員、張忠華研究員為共同通訊作者，基因組所黃三文研究員對該成果進(jìn)行總體把關(guān)和指導(dǎo)。湖南省蔬菜研究所陳惠明研究員、北京大學(xué)白書農(nóng)教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)李征教授、上海交通大學(xué)蔡潤教授、加州大學(xué)戴維斯分校William Lucas教授等也參與了該項目的完成。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項目的資助。
原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaa018/6017177#
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