中国农科院孙进京/青岛农大张忠华合作揭示黄瓜全雌基因分子作用机制

来源：BioArt植物

黄瓜是重要的蔬菜作物，可食用部分是由雌花发育形成的果实，雌花率是影响产量的关键性状。此外，雌花和雄花在不同黄瓜中的分布丰富多样，表现为全雄、全雌、雌雄同株等多种形式，一直是研究单性花发育调控机制的重要模式植物。因此，研究黄瓜雌花和雄花形成的分子机制具有重要的应用价值和科学意义。

已有的研究显示，F、M、A三个基因是黄瓜雌花和雄花形成的关键基因，其中A和M基因相继被克隆，均是乙烯合成途径中的关键酶，分别编码 ACS11和 ACS2。F基因是黄瓜的显性全雌基因（Female），在生产中被广泛用于提高黄瓜产量，青岛农业大学张忠华教授（中国农业科学院蔬菜花卉所研究员）等前期通过分析黄瓜基因组的结构变异发现，一段30.2 kb序列的串联重复导致了F基因的产生（Zhang et al. Plant Cell, 2015），但串联重复序列中究竟哪个基因或元件导致全雌花产生仍然是一个疑问。

近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所孙进京和青岛农业大学园艺学院张忠华教授合作，联合中国农业科学院农业基因组研究所等单位首次发现黄瓜中全雌基因（Female）是获得新功能的基因ACS1G，并深入研究了其作用机制，提出了黄瓜雌花和雄花多样性发育的分子模型。相关研究成果以Gain-of-function of the 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase gene ACS1G induces female flower development in cucumber gynoecy为题于12月2日在线发表在The Plant Cell上。

在前期工作的基础上，研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和EMS诱变相结合，首次证实了F基因是ACS1G基因，而不是重复序列中的 MYB 家族转录因子。由于基因组的结构变异，ACS1G获得了不同于雌雄同株材料中ACS1的启动子和新的表达模式，ACS1G在花芽发育早期与 ACO2基因的重叠表达，使ACS1G获得了决定雌花形成的功能。由于ACS1G 基因在早期花芽中的表达不像 ACS11一样具有选择性，所以所有花芽都发育成雌花，这也解释了F基因上位于隐性全雄基因（androecious）的原因。

图1 雌雄同株黄瓜植株和转基因（ACS1G）全雌花植株

此项研究完整地解释了黄瓜单性花调控的FAM模型，并整合了近年来孙进京副研究员克隆的 ACO2和 WIP1等单性花调控基因，结合基因时空表达特异性和不同基因间的遗传关系，提出了一个完整的黄瓜单性花发育调控模型，丰富了葫芦科植物单性花调控的网络，对于培育高产瓜类作物也有重要指导意义。

图2 黄瓜雌花和雄花发育分子模型

中国农业科学院蔬菜花卉研究所博士研究生张慧敏（目前为青岛农业大学园艺学院教师）、李帅、深圳农业基因组所博士后杨丽（目前为华中农业大学教师）、蔬菜所客座研究生蔡广华为论文第一作者。中国农业科学院蔬菜花卉研究所孙进京副研究员和青岛农业大学园艺学院张忠华教授为共同通讯作者，中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员对该成果进行总体把关和指导。湖南省蔬菜研究所陈惠明研究员、北京大学白书农教授、西北农林科技大学李征教授、上海交通大学蔡润教授、加州大学戴维斯分校William Lucas教授等也参与了该项目的完成。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、农科院创新工程、山东省泰山学者等项目的资助。