黃瓜果實伸長表現(xiàn)出乙烯劑量依賴性
植物器官的生長和發(fā)育取決于生長刺激和抑制之間的微妙平衡。果實大小和形狀則是影響產(chǎn)量和商品價值的重要農(nóng)藝性狀。
近日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所和深圳農(nóng)業(yè)基因組所在《植物細胞》在線發(fā)表研究論文,揭示黃瓜果實發(fā)育的乙烯調(diào)控機制。
“葫蘆科是一個非常龐大、多樣化的植物家族,它的果實屬于瓠果,為人類提供許多重要的蔬菜和水果,如黃瓜、甜瓜、西瓜和南瓜等。”通訊作者、中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所功能基因課題組副研究員楊學(xué)勇接受《中國科學(xué)報》采訪時說。
其中,黃瓜是我國最重要的設(shè)施蔬菜作物之一。2017年我國黃瓜種植面積和總產(chǎn)量分別為123萬公頃和6487萬噸,分別占世界的54.2%和77.5%。作為一種重要的蔬菜作物,黃瓜的果實形態(tài)建成和株型發(fā)育屬于重要農(nóng)藝性狀,直接影響產(chǎn)量和商品品質(zhì)。
研究表明,葫蘆科果實由下位子房發(fā)育而來,并因為極端多樣的果實大小和形態(tài)而聞名,從小到巨大、從扁圓到伸長皆有?!叭欢?,調(diào)控果實生長平衡、實現(xiàn)最終果實大小和形態(tài)的分子機制仍不清楚?!睏顚W(xué)勇表示。
細胞數(shù)目和細胞面積決定器官的大小。而果實細胞分裂決定果實的細胞數(shù)目,因此細胞分裂強弱決定果實長度。那么,什么影響了黃瓜果實細胞的分裂?
在這項研究中,研究人員以兩個黃瓜的短瓜材料——sf1突變體和acs2 突變體為對象,研究乙烯劑量精細調(diào)控黃瓜果實伸長的分子機制?!斑x擇sf1和acs2是通過反向遺傳學(xué)手段,先發(fā)現(xiàn)這兩個短瓜的材料,然后再克隆基因,研究果長調(diào)控的機理。”楊學(xué)勇說道。
sf1突變體表現(xiàn)為果實細胞分裂減弱并且產(chǎn)生過量乙烯;acs2 突變體表現(xiàn)為果實細胞分裂減弱但是產(chǎn)生少量乙烯。SF1編碼一個E3泛素連接酶,該研究發(fā)現(xiàn),SF1泛素化修飾并降解自身及其底物ACS2 (乙烯合成途徑中的限速酶);SF1突變后,導(dǎo)致ACS2 積累,從而促進乙烯過量合成。
該研究進一步揭示了乙烯對黃瓜果實長度調(diào)控的劑量依賴性,過高或過低的乙烯劑量都會對黃瓜果實細胞分裂產(chǎn)生嚴重的抑制,而合適劑量的乙烯會促進細胞分裂,調(diào)控黃瓜果實伸長。
因此,SF1通過泛素化降解其自身和ACS2實現(xiàn)對黃瓜果實中乙烯劑量的精細控制,從而調(diào)控黃瓜果實伸長。以上研究為理解葫蘆科果實形態(tài)建成的遺傳和分子基礎(chǔ)提供了重要信息。
“在生產(chǎn)上,果實大小決定產(chǎn)量,而且不同消費者群體對黃瓜果實大小的偏好不同。一般南亞地區(qū)喜歡果實較大的黃瓜;華北黃瓜通常是中等長度、棍棒狀的;歐美水果黃瓜則比較短,呈現(xiàn)圓筒形等。加之畸形瓜、瓜把過長和果形不一致等影響商品品質(zhì)性狀的現(xiàn)象時常發(fā)生,因此迫切需要加強黃瓜果實形態(tài)建成的遺傳和發(fā)育機制基礎(chǔ)研究,為將來培育滿足市場多樣化和穩(wěn)定優(yōu)良果形的黃瓜品種提供支撐?!睏顚W(xué)勇說。
這項成果的發(fā)表也為通過外源處理或基因編輯技術(shù)生產(chǎn)不同長度的黃瓜提供了潛在方法,有望為黃瓜果實大小的改良育種提供科學(xué)基礎(chǔ)。
該團隊以蔬菜產(chǎn)業(yè)中的重大科技需求為目標,以基因組學(xué)工具為依托,解決蔬菜作物的重大基礎(chǔ)生物學(xué)問題,為培育我國優(yōu)良蔬菜品種奠定重要的理論基礎(chǔ)。該研究得到國家自然科學(xué)重點基金、國家自然科學(xué)基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
相關(guān)論文信息:DOI:10.1105/tpc.18.00957