近日，Horticulture Research上線了（Advance Access）農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院張明方團隊題為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)是開花植物成功進化的標志性事件。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大量的人力、物力和財力，其種皮副產(chǎn)物需要進行廢棄物處理。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之一。裸仁（無殼）南瓜（Cucurbita pepo L.）是19世紀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)濟價值，自發(fā)現(xiàn)的一個多世紀以來，其無殼性狀一直是細胞生物學家和遺傳育種學家關(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）。為了進一步精細定位無殼性狀可能的候選QTL/基因，作者利用KASP標記和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標記（indel標記）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)果進一步支持了CpNST1基因突變導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)育時期的種皮進行了細胞學比較分析，以進一步驗證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胞丟失，所有細胞層的細胞均可以發(fā)育到正常大小。但在裸仁南瓜種皮的任何細胞類型中都沒有次生細胞壁（SCWs）的沉積。而在有殼南瓜中，厚壁組織細胞層（scl）、下皮層（hy）和薄壁組織細胞層（m1）均在授粉后10天開始沉積SCWs。原位雜交結(jié)果表明CpNST1主要在這三個細胞層中表達，尤其在scl中表達明顯。這些結(jié)果進一步證實了CpNST1為南瓜種皮SCWs形成的關(guān)鍵基因。此外通過細胞壁成分鑒定發(fā)現(xiàn)三層細胞的SCWs由不同的成分組成。 hy和m1層細胞壁主要沉積木質(zhì)素，而scl細胞層主要由纖維素組成，提示CpNST1可能參與調(diào)控不同細胞層的SCWs生物合成。種殼發(fā)育過程中的比較轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果進一步表明了CpNST1在種殼次生細胞壁合成調(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）新品種選育重點科技計劃項目（2021C02065）的資助。

 

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