黄瓜稀刺基因的定位、克隆及功能研究

Spine density on cucumber fruit is a valuable appearance trait. But to date, the genes that control spine density has not been cloned, and it’s molecular mechanism has not been reported. Our group found a natural mutant with sparse spine and named it sparse spine 1 (sps1). Genetic analysis proved that this trait is controlled by a single recesive gene. The sps1 gene will be mapped and cloned in this project. Then a series of experimental means such as: analysis of tissue-specific gene expression, subcellular localization, transcriptome analysis, etc., will be performed to determine the regulatory network that sps1 gene involved in and it’s position in the network. Then the genetic mechanism controlling spine density of cucumber fruit will be elucidated at the molecular level in this project. Moreover, the sps1 gene can be developped into easy-testing DNA marker for molecular breeding of spine characteristics of cucumber. This will significantly shorten the traditional breeding cycle, and dramatically accelerate the pace of appearance quality breeding of cucumber. So, this project will not only provide the theoretical basis for molecular breeding of cucumber appearance quality, but also is important for breeding new cucumber variety to meet consumer requirements.

黄瓜的刺瘤密度是非常重要的外观商品性状。然而迄今为止，还未见调控黄瓜刺瘤密度基因被克隆的报道，关于黄瓜刺瘤密度形成的分子机制仍是空白。本项目组获得一个稀刺突变体，遗传分析证明该突变性状由隐性单基因控制。本项目将定位并克隆稀刺基因，然后通过基因组织表达特异性分析、亚细胞定位、转录组分析等一系列实验手段，确定稀刺基因所参与的调控网络及其在调控网络中所处的位置，初步揭示稀刺基因调控黄瓜刺瘤密度的分子机制。本项目将把稀刺基因开发成容易检测的分子标记，用于黄瓜刺瘤性状的分子标记辅助育种，从而解决传统育种周期过长的难题，大大加快黄瓜外观品质育种的速度。因此，本研究不仅可以为黄瓜外观品质的分子标记辅助育种及分子设计育种提供理论依据，而且对于培育满足消费者需求的黄瓜品种也具有重要意义。

果实刺瘤密度是一个重要的黄瓜商品性状，然而黄瓜果实刺瘤密度形成的分子机制尚不清楚。本研究从华北型密刺黄瓜 CNS2（wild type, WT）中分离出了一个稀刺突变体 few spines 1 (fs1)， fs1 果实刺瘤数目显著少于 WT，而茎、叶、卷须、花萼等其它部位的表皮毛形态、密度均无显著变化，是研究黄瓜果实刺瘤密度形成机理的理想材料。. 本研究构建了稀刺突变体和其亲本的 F2 群体，通过 BSA 法和黄瓜全基因组重测序将 fs1 定位到 Chr 6 长臂上。由于 fs1 与 WT 的基因组相似度较高，未找到合适的标记进行下一步的精细定位工作，因此，将 fs1 和 9930 杂交构建了新的精细定位群体。利用黄瓜基因组重测序得到的 SNP 数据，找到了 4 个 CAPS 标记和 1 个 SNP 标记，用 CAPS1 和 MM2 对 5400 棵 F2 单株进行筛选，共找到 130 棵交换个体。用 CAPS3、CAPS4 和 MM2 对 32 个稀刺表型交换单株进行分析，将 fs1 定位到了MM1 和 MM2 之间，这两个标记之间的物理距离为 110.4 kb，有 25 个注释基因。通过对候选区间内 25 个基因的编码区和启动子区域进行测序分析，发现Csa6G514870（CsHDZIV11）的启动子区域内发生了片段的替换，WT 中 10 bp 的片段在 fs1 中被替换成了 812 bp。. Csa6G514870 属于 HD-ZIP IV 亚家族，编码了一个 PDF2 相关蛋白。在开花当天的果实中，fs1 中 Csa6G514870 的表达显著高于 WT 。亚细胞定位结果表明，Csa6G514870 定位在细胞质膜和细胞核上。为了进一步分析 CsHDZIV11 在黄瓜中的功能，进行了黄瓜的遗传转化，目前已得到 22 棵再生植株，有待于进一步验证。对稀刺突变体的转录组数据进行分析，找到了四个可能参与黄瓜刺瘤密度形成调控网络的基因。根据 CsHDZIV11 的启动子区域内的片段替换，开发了一个分子标记MM3，经检测，此标记和来自不同地区、不同品种的黄瓜果实刺瘤密度共分离，表明 CsHDZIV11 的启动子区域内的片段替换是黄瓜驯化过程中决定果刺密度的关键因素。