中國(guó)農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 2025年1月，《Nature》旗下國(guó)際植物學(xué)期刊《Nature Plants》雜志在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)眭曉蕾課題組與合作者共同完成的研究論文“Molecular regulation and domestication of parthenocarpy in cucumber”。該研究鑒定了一個(gè)新的馴化基因 NPF1 ，揭示其作為生長(zhǎng)素合成基因 YUC4 和果實(shí)苦味基因 Bt 的上游調(diào)控因子，協(xié)同調(diào)控黃瓜單性結(jié)實(shí)和果實(shí)苦味，闡明了不同性狀在馴化過(guò)程中的分子調(diào)控機(jī)制。此外，利用YUC4的優(yōu)異變異位點(diǎn)，培育出強(qiáng)單性結(jié)實(shí)的栽培黃瓜品種。這一發(fā)現(xiàn)為提升黃瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)。
植物的開花和結(jié)實(shí)通常依賴于授粉和受精作用，然而在自然條件下，有些植物可以不經(jīng)過(guò)授粉和受精而結(jié)實(shí)，或是在某些刺激（如生長(zhǎng)素等）的作用下，未受精的子房也能形成果實(shí)，這種現(xiàn)象稱為單性結(jié)實(shí)（parthenocarpy）。單性結(jié)實(shí)因其無(wú)需授粉且能產(chǎn)生無(wú)籽果實(shí)的特性，顯著提高了果實(shí)的可食率和品質(zhì)，因而成為作物育種中一項(xiàng)重要的農(nóng)藝目標(biāo)性狀。一般而言，栽培黃瓜是由野生黃瓜馴化而來(lái)。在這一過(guò)程中，株型特征（如葉片大小和分枝數(shù)量）、單性結(jié)實(shí)的強(qiáng)弱、果實(shí)大小以及苦味等與農(nóng)藝性狀相關(guān)的特征都經(jīng)歷了顯著變化。目前已知的黃瓜馴化基因包括 Bt、Tu、FT 和 FUL1 等，但大多數(shù)研究主要集中在單一性狀的解析上，對(duì)黃瓜產(chǎn)量與品質(zhì)在馴化過(guò)程中如何協(xié)同調(diào)控的遺傳機(jī)制仍不清楚。
研究首先利用合作單位天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃瓜研究所提供的自發(fā)非單性結(jié)實(shí)突變體 npf1 （ non-parthenocarpic fruit 1 ）進(jìn)行基因定位，結(jié)合BSA-seq和KASP基因分型的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，突變體 npf1 的第6號(hào)染色體上存在一個(gè)約15kb的缺失片段，此片段內(nèi)僅存在一個(gè)候選基因，編碼AP2轉(zhuǎn)錄因子，并將其命名為 CsNPF1 用于后續(xù)研究。 CsNPF1 在花分生組織、花原基和果實(shí)胚珠中高豐度表達(dá)?；贑RISPR/Cas9基因編輯技術(shù)敲除 CsNPF1 基因，獲得穩(wěn)定遺傳突變體 npf1 CR1和 npf1 CR2，該突變體株系出現(xiàn)非單性結(jié)實(shí)表型，表明 Cs NPF1 在黃瓜單性結(jié)實(shí)果實(shí)形成過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
為進(jìn)一步解析 Cs NPF1 調(diào)控單性結(jié)實(shí)的分子機(jī)制，研究人員進(jìn)行了Dap-seq和RNA-seq分析，挖掘出 Cs NPF1 轉(zhuǎn)錄因子的全基因組調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果顯示，生長(zhǎng)素信號(hào)途徑在該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中顯著富集，CsNPF1能夠直接結(jié)合生長(zhǎng)素合成基因 Cs YUC4 的啟動(dòng)子并激活其表達(dá)，從而提高胚珠中生長(zhǎng)素水平，促進(jìn)單性結(jié)實(shí)形成。隨著單性結(jié)實(shí)果實(shí)的發(fā)育，胚珠中的生長(zhǎng)素水平逐漸升高。
根據(jù)已有研究，黃瓜分為四個(gè)主要（地理）類群：印度、歐亞、東亞和中國(guó)西南部的西雙版納類群。其中，印度類群包含了大量遺傳多樣性，包括野生黃瓜（ Cucumis sativus var. hardwickii ）。與栽培黃瓜（ Cucumis sativus var. sativus ）相比，野生黃瓜具有小葉、強(qiáng)分枝能力、較弱的單性結(jié)實(shí)能力，以及苦澀不可食用的果實(shí)。此項(xiàng)研究通過(guò)比較三種栽培群體（歐亞、東亞和西雙版納）與野生群體（印度）的基因組區(qū)域，發(fā)現(xiàn)CsNPF1位點(diǎn)在馴化過(guò)程中受到強(qiáng)烈選擇，導(dǎo)致在三種栽培群體中的序列多態(tài)性顯著降低。而CsYUC4位點(diǎn)僅在東亞栽培種中受到選擇。在馴化過(guò)程中，由于CsNPF1第7位氨基酸由苯丙氨酸（Phe）突變?yōu)榻z氨酸（Ser），使得CsNPF1蛋白更穩(wěn)定并增強(qiáng)了對(duì)下游基因的調(diào)控能力。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)馴化過(guò)程中 CsYUC4 啟動(dòng)子區(qū)域的-383位堿基由A變?yōu)镚，導(dǎo)致CsNPF1對(duì) Cs Y UC4 的激活能力增強(qiáng)，從而提高了 CsYUC4 表達(dá)和生長(zhǎng)素水平，進(jìn)一步促進(jìn)單性結(jié)實(shí)的形成。單倍型分析發(fā)現(xiàn)，CsNPF1優(yōu)異單倍型Hap2（CsNPF1Ser7）和CsYUC4優(yōu)異單倍型Hap2（CsYUC4-383G）與黃瓜果實(shí)生長(zhǎng)素水平和單性結(jié)實(shí)增強(qiáng)的表型相關(guān)。以攜帶有弱單性結(jié)實(shí)等位基因 CsYUC4 -383A（與優(yōu)異單倍型CsNPF1Ser7）的華南型黃瓜品種（11-67）為受體親本，以攜帶強(qiáng)單性結(jié)實(shí)等位基因 CsYUC4 -383G（與優(yōu)異單倍型CsNPF1Ser7）的華北型黃瓜品種（1-5）為供體親本，雜交后連續(xù)自交多代培育出強(qiáng)單性結(jié)實(shí)的優(yōu)良栽培黃瓜品種（11-67-32）。
此外，苦味是黃瓜馴化中的重要農(nóng)藝性狀，其中 Bt 基因作為關(guān)鍵的苦味調(diào)控基因，其上游是否存在更高水平的馴化基因，目前未見報(bào)道。本研究發(fā)現(xiàn)，CsNPF1蛋白能夠直接結(jié)合 Bt 基因已知的重要馴化位點(diǎn)，抑制 Bt 的表達(dá)，降低黃瓜果實(shí)的苦味（降低黃瓜果實(shí)葫蘆素CuC含量）。
以上系列研究結(jié)果表明，CsNPF1是黃瓜馴化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，能夠協(xié)同調(diào)控單性結(jié)實(shí)和果實(shí)苦味兩大重要性狀，深化了對(duì)黃瓜馴化過(guò)程的分子調(diào)控與遺傳機(jī)制的理解，為園藝作物遺傳改良和育種工作提供了重要思路與參考。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)為該論文第一作者和第一通訊作者單位，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)聶靜博士后和天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃瓜研究所/蔬菜生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃洪宇副研究員為該論文共同第一作者，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室眭曉蕾教授、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院孫傳清教授、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院馬男教授為該論文的共同通訊作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院林濤教授和清華大學(xué)武晟博士后提供了重要思路和指導(dǎo)，天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃瓜研究所張利東副研究員、李禹鶴研究員等提供了重要支持和幫助。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目以及中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才培育發(fā)展支持計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
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