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(duì)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(kāi)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(guò)程需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)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(wú)殼或薄殼品種是重要育種目標(biāo)之一。裸仁（無(wú)殼）南瓜（Cucurbita pepo L.）是19世紀(jì)80年代于原奧匈帝國(guó)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(méi)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(jià)值，自發(fā)現(xiàn)的一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，其無(wú)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(wú)殼性狀的基因仍未被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道。

 

　　該研究通過(guò)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(wú)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(wú)殼性狀定位到12號(hào)染色體的一個(gè)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(wú)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(gè)KASP標(biāo)記的重組單株的篩選，將候選區(qū)間縮小到一個(gè)189.67 kb的區(qū)域內(nèi)。然后通過(guò)序列分析將候選基因鎖定到Cp25標(biāo)記（indel標(biāo)記）的一個(gè)NAC轉(zhuǎn)錄因子CpNST1。基因序列分析結(jié)果顯示在裸仁南瓜中該基因的第一個(gè)外顯子區(qū)有一個(gè)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(gè)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(wú)殼性狀的發(fā)生。

 

　　該研究同時(shí)對(duì)裸仁南瓜和有殼南瓜不同發(fā)育時(shí)期的種皮進(jìn)行了細(xì)胞學(xué)比較分析，以進(jìn)一步驗(yàn)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(méi)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(lèi)型中都沒(méi)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(kāi)始沉積SCWs。原位雜交結(jié)果表明CpNST1主要在這三個(gè)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(shí)了CpNST1為南瓜種皮SCWs形成的關(guān)鍵基因。此外通過(guò)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(guò)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(jì)育種選育無(wú)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(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFD1001904）和浙江省農(nóng)業(yè)（蔬菜）新品種選育重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021C02065）的資助。

 

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