近日，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了園藝學(xué)院張小蘭教授團(tuán)隊(duì)在黃瓜生殖發(fā)育領(lǐng)域取得的最新成果：《ARF3介導(dǎo)的生長(zhǎng)素信號(hào)對(duì)黃瓜性別決定至關(guān)重要》（ARF3-mediated?auxin?signaling?is?essential?for?sex?determination?in?cucumber）。

該研究揭開了生長(zhǎng)素促進(jìn)雌花產(chǎn)生的神秘機(jī)制，鑒定到關(guān)鍵調(diào)控因子CsARF3（Auxin?Response?Factor?3），并闡釋了生長(zhǎng)素和乙烯在性別決定上的互惠關(guān)系，為植物性別決定的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了全新的認(rèn)識(shí)。百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及分析服務(wù)！

研究背景

古人識(shí)草木，多辨“花葉果”之形，卻少知其“性別”之異。

被子植物的性別決定，不僅是進(jìn)化成功的重要標(biāo)志，更是解鎖農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、推動(dòng)雜交制種的關(guān)鍵密碼。植物性別并非僅由染色體決定，還受基因調(diào)控、激素水平、環(huán)境信號(hào)（溫度、光照、養(yǎng)分）的調(diào)控，其復(fù)雜性遠(yuǎn)超動(dòng)物。

葫蘆科作物性型表現(xiàn)豐富，已逐漸成為研究性別決定的典型模式植物。葫蘆科作物的花在早期發(fā)育階段是兩性的，隨著心皮原基或雄蕊原基的發(fā)育停滯產(chǎn)生單性花?！吧L(zhǎng)素促進(jìn)雌花產(chǎn)生”這一現(xiàn)象自上世紀(jì)50年代被植物學(xué)家觀察到以來，一直是植物生理學(xué)領(lǐng)域的“未解之謎”，且生長(zhǎng)素與乙烯是如何協(xié)同調(diào)控植物單性花發(fā)育的遺傳機(jī)制仍模糊不清。

研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

CsARF3是黃瓜雌花形成所必需的

該研究首先發(fā)現(xiàn)，外源施加生長(zhǎng)素（IAA）可提高黃瓜雌雄花比例。在16個(gè)黃瓜ARF家族成員中，CsARF3在雌性系WI1983G的雌花芽中表達(dá)顯著高于其近等基因系WI1983GM（ACS1G突變，以雄花為主）的雄花芽，且在性別決定期（第6期之前）的表達(dá)更高（圖1A-G）。利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建的Csarf3移碼突變體（Csarf3-1和Csarf3-2）僅產(chǎn)生雄花，而野生型（WT）為雌雄同株（圖1H,?I）。突變體部分雄花在心皮殘留部位出現(xiàn)花柱樣組織，其比例與野生型的雌花比例相似，暗示Csarf3突變導(dǎo)致雌花向雄花轉(zhuǎn)化（圖1J,?K）。相反，CsARF3過表達(dá)株系（CsARF3-OE）的雌花比例和復(fù)合雌性（每節(jié)多雌花）比例均顯著增加（圖1L,?M）。外源IAA處理無法恢復(fù)Csarf3突變體的雌花產(chǎn)生，表明CsARF3介導(dǎo)的生長(zhǎng)素信號(hào)是黃瓜雌花形成不可或缺的環(huán)節(jié)。

CsARF3直接調(diào)控CsSTM和CsWIP1的表達(dá)

KNOX家族轉(zhuǎn)錄因子參與莖端分生組織（SAM）形成和心皮發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，Csarf3突變體異常心皮中多數(shù)KNOX?I類成員表達(dá)下調(diào)，其中CsSTM（SHOOT?MERISTEMLESS同源基因）下降最為顯著（圖2A）。CsSTM在雌花芽中表達(dá)高于雄花芽，在Csarf3突變體莖尖中表達(dá)降低，而在CsARF3-OE株系中上調(diào)（圖2B-D）。酵母單雜交、凝膠遷移實(shí)驗(yàn)（EMSA）和染色質(zhì)免疫沉淀（ChIP-qPCR）證實(shí)，CsARF3可直接結(jié)合CsSTM啟動(dòng)子中的生長(zhǎng)素響應(yīng)元件（AuxREs），并激活其轉(zhuǎn)錄（圖2E-H,?I）。CsSTM在性別決定前特異性富集于雌花的心皮原基。敲除CsSTM導(dǎo)致雌花比例下降和首朵雌花出現(xiàn)延遲，而Csarf3?Csstm雙突變體的表型與Csstm單突變體相似，表明CsSTM位于CsARF3下游共同促進(jìn)雌花形成（圖2J,?K）。

另一方面，雌性抑制基因CsWIP1在Csarf3突變體中表達(dá)上調(diào)約3倍，在CsARF3-OE中下調(diào)（圖3A,?B）。CsARF3可直接結(jié)合CsWIP1啟動(dòng)子上的AuxRE元件并抑制其轉(zhuǎn)錄（圖3C-F）。遺傳分析顯示，Csarf3?Cswip1雙突變體恢復(fù)了雌雄同株表型，產(chǎn)生雌花和兩性花，類似于Cswip1單突變體（僅雌花），證明CsARF3作用于CsWIP1上游抑制其功能以促進(jìn)雌性發(fā)育（圖4A-D）。

CsARF3與乙烯生物合成基因的遺傳關(guān)系

乙烯生物合成基因ACS1G（F基因）是黃瓜雌性表型的關(guān)鍵因子。研究發(fā)現(xiàn)，外源乙烯利（ethephon）處理不能誘導(dǎo)Csarf3突變體產(chǎn)生雌花，而生長(zhǎng)素處理卻能恢復(fù)乙烯生物合成突變體Csacs11和Csaco2（僅雄花）的雌花形成。將Csarf3突變引入攜帶ACS1G的雌性系中，發(fā)現(xiàn)CsARF3的缺失阻斷了ACS1G誘導(dǎo)的雌花發(fā)育（圖4E-H），表明乙烯需要通過生長(zhǎng)素通路促進(jìn)心皮發(fā)育。此外，黃瓜中ACS7同源基因CsACS2在Csarf3和Csstm突變體中表達(dá)顯著下調(diào)，在CsARF3-OE中上調(diào)（圖4I-K），說明生長(zhǎng)素信號(hào)能促進(jìn)乙烯生物合成，兩者在性別決定中形成互饋循環(huán)。

研究總結(jié)

該研究不僅破解了“生長(zhǎng)素促進(jìn)黃瓜雌花產(chǎn)生”之謎，極大豐富了被子植物單性花發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而且為理解激素信號(hào)如何調(diào)控植物器官發(fā)育提供了全新的視角，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物性別調(diào)控提供了精準(zhǔn)的分子靶點(diǎn)。

 

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