控制黄瓜主枝全雄性别决定新基因msa的克隆及功能分析

Cucumber is an important vegetable crop and also a well-established model system for studying the plant sex determination mechanism. Ethylene is the most important plant hormone in regulating sex expression process. In cucumber, the four cloned sex determination genes F, M, A and CsACO2 encode enzymes in the ethylene biosynthetic pathway. A natural main-stem androecious mutant "M98", which only producing female flowers on the first node of the lateral branch, was found in the previous study. Genetic analysis revealed that this phenotype was controlled by a recessively inherited gene. This gene was named main-stem androecious (msa) and it was delimited into a 1.5 Mb genomic region on chromosome 1. In this project, we will isolate the msa gene by positional cloning methods, verify the function of msa gene by genetic transformation and analyze the genetic relationships between msa and the known sex determination genes. The qRT-PCR and in situ hybridization will be performed to explore the molecular mechanism preliminarily. This study will promote the dissecting of the genetic network of sex determination in cucumber and provide a theoretical basis for developing elite cucumber cultivars.

黄瓜是重要的蔬菜作物，也是植物性别决定机制研究的模式植物。乙烯是控制黄瓜单性花分化最重要的植物激素，已克隆的四个性别分化基因F、M、A和CsACO2均编码乙烯合成途径两个关键步骤的合成酶。其它基因如何调控黄瓜性别分化尚缺乏深入研究，限制了其在黄瓜育种中的应用。本项目通过前期研究，发现一个主枝全雄的自然突变体，仅在侧枝第一节位形成雌花，是理想的父本材料。遗传分析发现主枝全雄表型由新的隐性单基因位点msa控制，并已初步将msa基因定位于1号染色体上1.5Mb的区间内。本项目将利用图位克隆方法分离主枝全雄基因msa，通过转基因黄瓜技术验证msa基因功能，研究其与已知的性别决定基因之间的遗传关系，并利用原位杂交等技术初步探索其作用机制。本研究将进一步解析黄瓜性别决定的遗传调控网络，并为培育新型父本材料提供理论基础。

黄瓜是重要的蔬菜作物，也是植物性别调控机制研究的模式植物。已克隆的性别决定关键基因，多数均编码乙烯合成途径中的关键酶，限制了在黄瓜育种中的应用。本项目利用主枝全雄突变体，筛选可能参与调控主枝全雄表型的候选基因。利用CRISPR/Cas9技术敲除此候选基因后，雌花比例下降，雄花比例增加。过量表达该候选基因，对雌雄花比例没有显著影响。利用免疫共沉淀结合质谱的方法，筛选到了一系列可能与候选基因编码蛋白相互作用的蛋白。对其中一个在花发育过程中发挥重要作用的AP1蛋白，用双分子荧光互补实验和酵母双杂交实验进行了验证，表明候选基因编码的蛋白与AP1蛋白相互作用。此外，利用转录组测序技术，对候选基因可能参与调控的网络进行了分析。结果表明，在突变体中表达上调的基因，主要富集于内质网中的蛋白加工，植物激素信号转导等途径；在突变体中下调的基因，主要富集于氮代谢、碳代谢、硫代谢、昼夜节律等途径。黄瓜雌雄花比例除受植物激素调控外，也受环境信号等其它因素的影响，候选基因可能通过调控这些途径调控黄瓜的雌雄花比例。此项研究进一步丰富了黄瓜性别调控网络，并为培育新品种提供了理论支持，具有理论和应用价值。