黄瓜果实伸长表现出乙烯剂量依赖性
植物器官的生长和发育取决于生长刺激和抑制之间的微妙平衡。果实大小和形状则是影响产量和商品价值的重要农艺性状。
近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所和深圳农业基因组所在《植物细胞》在线发表研究论文，揭示黄瓜果实发育的乙烯调控机制。
“葫芦科是一个非常庞大、多样化的植物家族，它的果实属于瓠果，为人类提供许多重要的蔬菜和水果，如黄瓜、甜瓜、西瓜和南瓜等。”通讯作者、中国农科院蔬菜花卉研究所功能基因课题组副研究员杨学勇接受《中国科学报》采访时说。
其中，黄瓜是我国最重要的设施蔬菜作物之一。2017年我国黄瓜种植面积和总产量分别为123万公顷和6487万吨，分别占世界的54.2%和77.5%。作为一种重要的蔬菜作物，黄瓜的果实形态建成和株型发育属于重要农艺性状，直接影响产量和商品品质。
研究表明，葫芦科果实由下位子房发育而来，并因为极端多样的果实大小和形态而闻名，从小到巨大、从扁圆到伸长皆有。“然而，调控果实生长平衡、实现最终果实大小和形态的分子机制仍不清楚。”杨学勇表示。
细胞数目和细胞面积决定器官的大小。而果实细胞分裂决定果实的细胞数目，因此细胞分裂强弱决定果实长度。那么，什么影响了黄瓜果实细胞的分裂？
在这项研究中，研究人员以两个黄瓜的短瓜材料——sf1突变体和acs2 突变体为对象，研究乙烯剂量精细调控黄瓜果实伸长的分子机制。“选择sf1和acs2是通过反向遗传学手段，先发现这两个短瓜的材料，然后再克隆基因，研究果长调控的机理。”杨学勇说道。
sf1突变体表现为果实细胞分裂减弱并且产生过量乙烯；acs2 突变体表现为果实细胞分裂减弱但是产生少量乙烯。SF1编码一个E3泛素连接酶，该研究发现，SF1泛素化修饰并降解自身及其底物ACS2 （乙烯合成途径中的限速酶）；SF1突变后，导致ACS2 积累，从而促进乙烯过量合成。
该研究进一步揭示了乙烯对黄瓜果实长度调控的剂量依赖性，过高或过低的乙烯剂量都会对黄瓜果实细胞分裂产生严重的抑制，而合适剂量的乙烯会促进细胞分裂，调控黄瓜果实伸长。
因此，SF1通过泛素化降解其自身和ACS2实现对黄瓜果实中乙烯剂量的精细控制，从而调控黄瓜果实伸长。以上研究为理解葫芦科果实形态建成的遗传和分子基础提供了重要信息。
“在生产上，果实大小决定产量，而且不同消费者群体对黄瓜果实大小的偏好不同。一般南亚地区喜欢果实较大的黄瓜；华北黄瓜通常是中等长度、棍棒状的；欧美水果黄瓜则比较短，呈现圆筒形等。加之畸形瓜、瓜把过长和果形不一致等影响商品品质性状的现象时常发生，因此迫切需要加强黄瓜果实形态建成的遗传和发育机制基础研究，为将来培育满足市场多样化和稳定优良果形的黄瓜品种提供支撑。”杨学勇说。
这项成果的发表也为通过外源处理或基因编辑技术生产不同长度的黄瓜提供了潜在方法，有望为黄瓜果实大小的改良育种提供科学基础。
该团队以蔬菜产业中的重大科技需求为目标，以基因组学工具为依托，解决蔬菜作物的重大基础生物学问题，为培育我国优良蔬菜品种奠定重要的理论基础。该研究得到国家自然科学重点基金、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等项目的资助。
相关论文信息：DOI：10.1105/tpc.18.00957
18926578588