近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院袁黎教授課題組在New Phytologist上發(fā)表了題為Establishing a highly efficient diploid seedless watermelon production system through manipulation of the SPOROCYTELESS gene的研究論文，成功開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)操控SPOROCYTELESS基因高效生產(chǎn)二倍體無(wú)籽西瓜的分子育種新技術(shù)，為加快選育推廣生產(chǎn)急需的二倍體無(wú)籽西瓜新品種提供了技術(shù)和理論支撐。園藝學(xué)院博士后姜嬌為該論文第一作者，瓜類(lèi)作物種質(zhì)資源與遺傳育種團(tuán)隊(duì)/作物抗逆與高效生產(chǎn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室袁黎教授和田樹(shù)娟老師及東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉識(shí)副教授為共同通訊作者。

 

　　西瓜（Citrullus lanatus）是世界重要的園藝經(jīng)濟(jì)作物。無(wú)籽西瓜因其食用方便、品質(zhì)優(yōu)良和貨架期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)深受生產(chǎn)者和消費(fèi)者青睞，是目前國(guó)內(nèi)外主栽類(lèi)型之一。商品市場(chǎng)50%以上的無(wú)籽西瓜是通過(guò)四倍體母本和二倍體父本雜交選育獲得。受四倍體母本選育周期長(zhǎng)及三倍體無(wú)籽性狀產(chǎn)生原理所限，三倍體無(wú)籽西瓜實(shí)際生產(chǎn)存在育種周期長(zhǎng)、F1代種子產(chǎn)量低、成本高、發(fā)芽難等諸多突出限制因素。因此，研發(fā)二倍體無(wú)籽西瓜育種技術(shù)體系，快速創(chuàng)制二倍體無(wú)籽西瓜，是有效彌補(bǔ)三倍體無(wú)籽西瓜生產(chǎn)短板，完善無(wú)籽西瓜生產(chǎn)體系，推動(dòng)二倍體無(wú)籽西瓜產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)面提速的迫切需求。

 

　　該研究通過(guò)CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，靶向敲除種子形成四個(gè)重要發(fā)育階段（孢子母細(xì)胞分化、減數(shù)分裂發(fā)生、雌配子形成和胚胎發(fā)生）的關(guān)鍵調(diào)控基因ClSPL、ClSPO11-2、ClCKI1和ClLEC2，突變體表型結(jié)果顯示，Clspl突變體生殖發(fā)育停滯在孢子母細(xì)胞分化時(shí)期，雌雄配子無(wú)法正常產(chǎn)生，用野生型花粉對(duì)其授粉，其果實(shí)大小和單果重不受影響，成熟果實(shí)無(wú)任何種子產(chǎn)生；Clspo11-2減數(shù)分裂I前期同源染色體重組發(fā)生缺陷，雌雄配子敗育，野生型對(duì)其授粉后成熟果實(shí)果型變小，單果重較野生型減少14%，只有少量敗育種子形成；Clcki1雄配子不受影響，雌配子發(fā)生敗育，自交授粉，果實(shí)大小和單果重均未發(fā)生改變，成熟果實(shí)中有敗育種子形成。Cllec2雌雄配子均不受影響，自交授粉，胚胎發(fā)生敗育，果實(shí)大小和單果重均未發(fā)生改變，然而成熟果實(shí)中有大量敗育種子形成。細(xì)胞學(xué)水平表型檢測(cè)及種子數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析表明，二倍體西瓜的無(wú)籽效果與其生殖發(fā)育阻斷時(shí)期相關(guān)，阻斷時(shí)期越早，無(wú)籽效果越明顯，敲除孢子母細(xì)胞發(fā)育分化關(guān)鍵調(diào)控基因ClSPL，則可以產(chǎn)生保留其他優(yōu)良性狀的二倍體完全無(wú)籽西瓜。

 

　　該研究成功篩選出ClSPL作為利用分子手段創(chuàng)制二倍體無(wú)籽西瓜的最佳候選基因，此外，以便后續(xù)篩選無(wú)籽性狀西瓜，節(jié)約育種成本，開(kāi)發(fā)了Indel分子標(biāo)記。通過(guò)雜合編輯植株ClsplRF-1/+T0代植株自交授粉，結(jié)合分子標(biāo)記輔助篩選獲得T1代純合編輯植株ClsplRF/ClsplRF，田間試驗(yàn)證實(shí)利用野生型花粉對(duì)其授粉時(shí)，能夠不斷產(chǎn)生無(wú)籽西瓜。本研究利用ClSPL基因介導(dǎo)法創(chuàng)制的二倍體無(wú)籽西瓜，具有育種周期短、種子可繁殖、保留種質(zhì)原有優(yōu)良性狀、無(wú)轉(zhuǎn)基因修飾等諸多優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)新的技術(shù)體系為無(wú)籽西瓜創(chuàng)制提供了新的策略，為葫蘆科及其他果實(shí)作物的無(wú)籽果實(shí)創(chuàng)制提供了重要參考方法。

 

　　該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目（U23A20208）、國(guó)家青年人才計(jì)劃（A279021801）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFE0206900）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（32372734）和陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023-YBNY-008，2024NC-YBXM-032）的資助。

 

　　文章鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.20108