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中國農(nóng)科院孫進(jìn)京/青島農(nóng)大張忠華合作揭示黃瓜全雌基因分子作用機(jī)制
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(shí)，雌花率是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵性狀。此外，雌花和雄花在不同黃瓜中的分布豐富多樣，表現(xiàn)為全雄、全雌、雌雄同株等多種形式，一直是研究單性花發(fā)育調(diào)控機(jī)制的重要模式植物。因此，研究黃瓜雌花和雄花形成的分子機(jī)制具有重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。
已有的研究顯示，F、M、A三個(gè)基因是黃瓜雌花和雄花形成的關(guān)鍵基因，其中A和M基因相繼被克隆，均是乙烯合成途徑中的關(guān)鍵酶，分別編碼 ACS11和 ACS2。F基因是黃瓜的顯性全雌基因（Female），在生產(chǎn)中被廣泛用于提高黃瓜產(chǎn)量，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)張忠華教授（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉所研究員）等前期通過分析黃瓜基因組的結(jié)構(gòu)變異發(fā)現(xiàn)，一段30.2 kb序列的串聯(lián)重復(fù)導(dǎo)致了F基因的產(chǎn)生（Zhang et al. Plant Cell, 2015），但串聯(lián)重復(fù)序列中究竟哪個(gè)基因或元件導(dǎo)致全雌花產(chǎn)生仍然是一個(gè)疑問。
近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所孫進(jìn)京和青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授合作，聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所等單位*發(fā)現(xiàn)黃瓜中全雌基因（Female）是獲得新功能的基因ACS1G，并深入研究了其作用機(jī)制，提出了黃瓜雌花和雄花多樣性發(fā)育的分子模型。相關(guān)研究成果以Gain-of-function of the 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase gene ACS1G induces female flower development in cucumber gynoecy為題于12月2日在線發(fā)表在The Plant Cell上。
在前期工作的基礎(chǔ)上，研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)和EMS誘變相結(jié)合，*證實(shí)了F基因是ACS1G基因，而不是重復(fù)序列中的 MYB 家族轉(zhuǎn)錄因子。由于基因組的結(jié)構(gòu)變異，ACS1G獲得了不同于雌雄同株材料中ACS1的啟動(dòng)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(xiàng)研究完整地解釋了黃瓜單性花調(diào)控的FAM模型，并整合了近年來孫進(jìn)京副研究員克隆的ACO2和 WIP1等單性花調(diào)控基因，結(jié)合基因時(shí)空表達(dá)特異性和不同基因間的遺傳關(guān)系，提出了一個(gè)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。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所博士研究生張慧敏（目前為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院教師）、李帥、深圳農(nóng)業(yè)基因組所博士后楊麗（目前為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教師）、蔬菜所客座研究生蔡廣華為論文作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所孫進(jìn)京副研究員和青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授為共同通訊作者，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(xiàng)目的完成。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、農(nóng)科院創(chuàng)新工程、山東省泰山學(xué)者等項(xiàng)目的資助。