中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 2025年1月，《Nature》旗下國際植物學(xué)期刊《Nature Plants》雜志在線發(fā)表了中國農(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”。該研究鑒定了一個新的馴化基因 NPF1 ，揭示其作為生長素合成基因 YUC4 和果實苦味基因 Bt 的上游調(diào)控因子，協(xié)同調(diào)控黃瓜單性結(jié)實和果實苦味，闡明了不同性狀在馴化過程中的分子調(diào)控機(jī)制。此外，利用YUC4的優(yōu)異變異位點，培育出強(qiáng)單性結(jié)實的栽培黃瓜品種。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)過授粉和受精而結(jié)實，或是在某些刺激（如生長素等）的作用下，未受精的子房也能形成果實，這種現(xiàn)象稱為單性結(jié)實（parthenocarpy）。單性結(jié)實因其無需授粉且能產(chǎn)生無籽果實的特性，顯著提高了果實的可食率和品質(zhì)，因而成為作物育種中一項重要的農(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。在這一過程中，株型特征（如葉片大小和分枝數(shù)量）、單性結(jié)實的強(qiáng)弱、果實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，對黃瓜產(chǎn)量與品質(zhì)在馴化過程中如何協(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號染色體上存在一個約15kb的缺失片段，此片段內(nèi)僅存在一個候選基因，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)實表型，表明 Cs NPF1 在黃瓜單性結(jié)實果實形成過程中發(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，生長素信號途徑在該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中顯著富集，CsNPF1能夠直接結(jié)合生長素合成基因 Cs YUC4 的啟動子并激活其表達(dá)，從而提高胚珠中生長素水平，促進(jìn)單性結(jié)實形成。隨著單性結(jié)實果實的發(fā)育，胚珠中的生長素水平逐漸升高。
根據(jù)已有研究，黃瓜分為四個主要（地理）類群：印度、歐亞、東亞和中國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)實能力，以及苦澀不可食用的果實。此項研究通過比較三種栽培群體（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位點在馴化過程中受到強(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位點僅在東亞栽培種中受到選擇。在馴化過程中，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)了對下游基因的調(diào)控能力。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)馴化過程中 CsYUC4 啟動子區(qū)域的-383位堿基由A變?yōu)镚，導(dǎo)致CsNPF1對 Cs Y UC4 的激活能力增強(qiáng)，從而提高了 CsYUC4 表達(dá)和生長素水平，進(jìn)一步促進(jìn)單性結(jié)實的形成。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）與黃瓜果實生長素水平和單性結(jié)實增強(qiáng)的表型相關(guān)。以攜帶有弱單性結(jié)實等位基因 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，抑制 Bt 的表達(dá)，降低黃瓜果實的苦味（降低黃瓜果實葫蘆素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)實和果實苦味兩大重要性狀，深化了對黃瓜馴化過程的分子調(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/蔬菜生物育種全國重點實驗室黃洪宇副研究員為該論文共同第一作者，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/設(shè)施蔬菜生長發(fā)育調(diào)控北京市重點實驗室眭曉蕾教授、中國農(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。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃課題、中國博士后科學(xué)基金項目以及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才培育發(fā)展支持計劃等項目資助。
日期：2025-02-03
植物的開花和結(jié)實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)過授粉和受精而結(jié)實，或是在某些刺激（如生長素等）的作用下，未受精的子房也能形成果實，這種現(xiàn)象稱為單性結(jié)實（parthenocarpy）。單性結(jié)實因其無需授粉且能產(chǎn)生無籽果實的特性，顯著提高了果實的可食率和品質(zhì)，因而成為作物育種中一項重要的農(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。在這一過程中，株型特征（如葉片大小和分枝數(shù)量）、單性結(jié)實的強(qiáng)弱、果實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，對黃瓜產(chǎn)量與品質(zhì)在馴化過程中如何協(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號染色體上存在一個約15kb的缺失片段，此片段內(nèi)僅存在一個候選基因，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)實表型，表明 Cs NPF1 在黃瓜單性結(jié)實果實形成過程中發(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，生長素信號途徑在該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中顯著富集，CsNPF1能夠直接結(jié)合生長素合成基因 Cs YUC4 的啟動子并激活其表達(dá)，從而提高胚珠中生長素水平，促進(jìn)單性結(jié)實形成。隨著單性結(jié)實果實的發(fā)育，胚珠中的生長素水平逐漸升高。
根據(jù)已有研究，黃瓜分為四個主要（地理）類群：印度、歐亞、東亞和中國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)實能力，以及苦澀不可食用的果實。此項研究通過比較三種栽培群體（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位點在馴化過程中受到強(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位點僅在東亞栽培種中受到選擇。在馴化過程中，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)了對下游基因的調(diào)控能力。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)馴化過程中 CsYUC4 啟動子區(qū)域的-383位堿基由A變?yōu)镚，導(dǎo)致CsNPF1對 Cs Y UC4 的激活能力增強(qiáng)，從而提高了 CsYUC4 表達(dá)和生長素水平，進(jìn)一步促進(jìn)單性結(jié)實的形成。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）與黃瓜果實生長素水平和單性結(jié)實增強(qiáng)的表型相關(guān)。以攜帶有弱單性結(jié)實等位基因 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，抑制 Bt 的表達(dá)，降低黃瓜果實的苦味（降低黃瓜果實葫蘆素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)實和果實苦味兩大重要性狀，深化了對黃瓜馴化過程的分子調(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/蔬菜生物育種全國重點實驗室黃洪宇副研究員為該論文共同第一作者，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/設(shè)施蔬菜生長發(fā)育調(diào)控北京市重點實驗室眭曉蕾教授、中國農(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。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃課題、中國博士后科學(xué)基金項目以及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才培育發(fā)展支持計劃等項目資助。
日期：2025-02-03
