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中國農科院孫進京/青島農大張忠華合作揭示黃瓜全雌基因分子作用機制
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，雌花率是影響產量的關鍵性狀。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)育調控機制的重要模式植物。因此，研究黃瓜雌花和雄花形成的分子機制具有重要的應用價值和科學意義。
已有的研究顯示，F、M、A三個基因是黃瓜雌花和雄花形成的關鍵基因，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），在生產中被廣泛用于提高黃瓜產量，青島農業(yè)大學張忠華教授（中國農業(yè)科學院蔬菜花卉所研究員）等前期通過分析黃瓜基因組的結構變異發(fā)現，一段30.2 kb序列的串聯(lián)重復導致了F基因的產生（Zhang et al. Plant Cell, 2015），但串聯(lián)重復序列中究竟哪個基因或元件導致全雌花產生仍然是一個疑問。
近日，中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所孫進京和青島農業(yè)大學園藝學院張忠華教授合作，聯(lián)合中國農業(yè)科學院農業(yè)基因組研究所等單位*發(fā)現黃瓜中全雌基因（Female）是獲得新功能的基因ACS1G，并深入研究了其作用機制，提出了黃瓜雌花和雄花多樣性發(fā)育的分子模型。相關研究成果以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。
在前期工作的基礎上，研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術和EMS誘變相結合，*證實了F基因是ACS1G基因，而不是重復序列中的 MYB 家族轉錄因子。由于基因組的結構變異，ACS1G獲得了不同于雌雄同株材料中ACS1的啟動子和新的表達模式，ACS1G在花芽發(fā)育早期與 ACO2基因的重疊表達，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控的FAM模型，并整合了近年來孫進京副研究員克隆的ACO2和 WIP1等單性花調控基因，結合基因時空表達特異性和不同基因間的遺傳關系，提出了一個完整的黃瓜單性花發(fā)育調控模型，豐富了葫蘆科植物單性花調控的網絡，對于培育高產瓜類作物也有重要指導意義。
中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所博士研究生張慧敏（目前為青島農業(yè)大學園藝學院教師）、李帥、深圳農業(yè)基因組所博士后楊麗（目前為華中農業(yè)大學教師）、蔬菜所客座研究生蔡廣華為論文作者。中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所孫進京副研究員和青島農業(yè)大學園藝學院張忠華教授為共同通訊作者，中國農業(yè)科學院農業(yè)基因組研究所黃三文研究員對該成果進行總體把關和指導。湖南省蔬菜研究所陳惠明研究員、北京大學白書農教授、西北農林科技大學李征教授、上海交通大學蔡潤教授、加州大學戴維斯分校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、國家自然科學基金、農科院創(chuàng)新工程、山東省泰山學者等項目的資助。