黃瓜果實伸長表現出乙烯劑量依賴性
植物器官的生長和發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量和商品價值的重要農藝性狀。
近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所和深圳農業基因組所在《植物細胞》在線發表研究論文，揭示黃瓜果實發育的乙烯調控機制。
“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、中國農科院蔬菜花卉研究所功能基因課題組副研究員楊學勇接受《中國科學報》采訪時說。
其中，黃瓜是我國最重要的設施蔬菜作物之一。2017年我國黃瓜種植面積和總產量分別為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，黃瓜的果實形態建成和株型發育屬于重要農藝性狀，直接影響產量和商品品質。
研究表明，葫蘆科果實由下位子房發育而來，并因為極端多樣的果實大小和形態而聞名，從小到巨大、從扁圓到伸長皆有。“然而，調控果實生長平衡、實現最終果實大小和形態的分子機制仍不清楚。”楊學勇表示。
細胞數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控黃瓜果實伸長的分子機制。“選擇sf1和acs2是通過反向遺傳學手段，先發現這兩個短瓜的材料，然后再克隆基因，研究果長調控的機理。”楊學勇說道。
sf1突變體表現為果實細胞分裂減弱并且產生過量乙烯；acs2 突變體表現為果實細胞分裂減弱但是產生少量乙烯。SF1編碼一個E3泛素連接酶，該研究發現，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生嚴重的抑制，而合適劑量的乙烯會促進細胞分裂，調控黃瓜果實伸長。
因此，SF1通過泛素化降解其自身和ACS2實現對黃瓜果實中乙烯劑量的精細控制，從而調控黃瓜果實伸長。以上研究為理解葫蘆科果實形態建成的遺傳和分子基礎提供了重要信息。
“在生產上，果實大小決定產量，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性狀的現象時常發生，因此迫切需要加強黃瓜果實形態建成的遺傳和發育機制基礎研究，為將來培育滿足市場多樣化和穩定優良果形的黃瓜品種提供支撐。”楊學勇說。
這項成果的發表也為通過外源處理或基因編輯技術生產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基礎。
該團隊以蔬菜產業中的重大科技需求為目標，以基因組學工具為依托，解決蔬菜作物的重大基礎生物學問題，為培育我國優良蔬菜品種奠定重要的理論基礎。該研究得到國家自然科學重點基金、國家自然科學基金面上項目、國家重點研發計劃等項目的資助。
相關論文信息：DOI：10.1105/tpc.18.00957
