近日，Horticulture Research上線了（Advance Access）農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院張明方團(tuán)隊題為A natural mutation of the NST1 gene arrests secondary cell wall biosynthesis in the seed coat of a hull-less pumpkin accession 的研究論文。

 

　　植物有性生殖系統(tǒng)的形成和種子的出現(xiàn)是開花植物成功進(jìn)化的標(biāo)志性事件。授粉受精后的合子胚發(fā)育成熟并被包裹在起保護(hù)作用的種皮中。然而，在食物生產(chǎn)中，種子脫殼過程需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財力，其種皮副產(chǎn)物需要進(jìn)行廢棄物處理。因此，在許多種子作物育種中，選育無殼或薄殼品種是重要育種目標(biāo)之一。裸仁（無殼）南瓜（Cucurbita pepo L.）是19世紀(jì)80年代于原奧匈帝國的東南部地區(qū)發(fā)現(xiàn)的自然突變體，顯著特征是缺少木質(zhì)化的種皮，取而代之的是一層透明的薄膜，極易在機(jī)械外力下脫落，肉眼看上去只是沒有種皮的裸露種子。裸仁南瓜作為種皮木質(zhì)化研究的理想模型，加上其具有的重要經(jīng)濟(jì)價值，自發(fā)現(xiàn)的一個多世紀(jì)以來，其無殼性狀一直是細(xì)胞生物學(xué)家和遺傳育種學(xué)家關(guān)注的重要性狀。然而，迄今為止，裸仁南瓜性狀形成之謎仍未被解析，控制裸仁南瓜無殼性狀的基因仍未被發(fā)現(xiàn)和報道。

 

　　該研究通過將裸仁南瓜（HL）和有殼南瓜（H）雜交，構(gòu)建了F2遺傳分離群體。遺傳分析表明，南瓜無殼性狀受單一隱性等位基因（hh）控制。利用BSA-seq基因定位技術(shù)方法，初步將無殼性狀定位到12號染色體的一個1.43 Mb的區(qū)間（99%的顯著性水平）。為了進(jìn)一步精細(xì)定位無殼性狀可能的候選QTL/基因，作者利用KASP標(biāo)記和F2群體構(gòu)建了候選區(qū)間的遺傳圖譜。最后，基于26個KASP標(biāo)記的重組單株的篩選，將候選區(qū)間縮小到一個189.67 kb的區(qū)域內(nèi)。然后通過序列分析將候選基因鎖定到Cp25標(biāo)記（indel標(biāo)記）的一個NAC轉(zhuǎn)錄因子CpNST1?；蛐蛄蟹治鼋Y(jié)果顯示在裸仁南瓜中該基因的第一個外顯子區(qū)有一個14 bp的indel序列插入，導(dǎo)致該基因翻譯提前終止（圖1d-f）。在10個完全裸仁南瓜種質(zhì)中的基因分型結(jié)果進(jìn)一步支持了CpNST1基因突變導(dǎo)致了南瓜無殼性狀的發(fā)生。

 

　　該研究同時對裸仁南瓜和有殼南瓜不同發(fā)育時期的種皮進(jìn)行了細(xì)胞學(xué)比較分析，以進(jìn)一步驗證CpNST1在南瓜種皮形成中的作用。與有殼南瓜相比，裸仁南瓜種皮中并沒有細(xì)胞丟失，所有細(xì)胞層的細(xì)胞均可以發(fā)育到正常大小。但在裸仁南瓜種皮的任何細(xì)胞類型中都沒有次生細(xì)胞壁（SCWs）的沉積。而在有殼南瓜中，厚壁組織細(xì)胞層（scl）、下皮層（hy）和薄壁組織細(xì)胞層（m1）均在授粉后10天開始沉積SCWs。原位雜交結(jié)果表明CpNST1主要在這三個細(xì)胞層中表達(dá)，尤其在scl中表達(dá)明顯。這些結(jié)果進(jìn)一步證實了CpNST1為南瓜種皮SCWs形成的關(guān)鍵基因。此外通過細(xì)胞壁成分鑒定發(fā)現(xiàn)三層細(xì)胞的SCWs由不同的成分組成。 hy和m1層細(xì)胞壁主要沉積木質(zhì)素，而scl細(xì)胞層主要由纖維素組成，提示CpNST1可能參與調(diào)控不同細(xì)胞層的SCWs生物合成。種殼發(fā)育過程中的比較轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果進(jìn)一步表明了CpNST1在種殼次生細(xì)胞壁合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用。該研究的發(fā)現(xiàn)不僅為利用分子設(shè)計育種選育無殼種子作物特別是油料作物品種提供了寶貴的基因資源，也為植物種皮次生細(xì)胞壁形成分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究提供了重要線索。

 

　　農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種實驗室呂小龍博士后為論文的第一作者，張明方教授為該論文的通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2019YFD1001904）和浙江省農(nóng)業(yè)（蔬菜）新品種選育重點(diǎn)科技計劃項目（2021C02065）的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1093/hr/uhac136