裸仁南瓜无壳性状形成之谜

　　

近日，Horticulture Research上线了（Advance Access）农业与生物技术学院张明方团队题为A natural mutation of the NST1 gene arrests secondary cell wall biosynthesis in the seed coat of a hull-less pumpkin accession 的研究论文。

植物有性生殖系统的形成和种子的出现是开花植物成功进化的标志性事件。授粉受精后的合子胚发育成熟并被包裹在起保护作用的种皮中。然而，在食物生产中，种子脱壳过程需要耗费大量的人力、物力和财力，其种皮副产物需要进行废弃物处理。因此，在许多种子作物育种中，选育无壳或薄壳品种是重要育种目标之一。裸仁（无壳）南瓜（Cucurbita pepo L.）是19世纪80年代于原奥匈帝国的东南部地区发现的自然突变体，显著特征是缺少木质化的种皮，取而代之的是一层透明的薄膜，极易在机械外力下脱落，肉眼看上去只是没有种皮的裸露种子。裸仁南瓜作为种皮木质化研究的理想模型，加上其具有的重要经济价值，自发现的一个多世纪以来，其无壳性状一直是细胞生物学家和遗传育种学家关注的重要性状。然而，迄今为止，裸仁南瓜性状形成之谜仍未被解析，控制裸仁南瓜无壳性状的基因仍未被发现和报道。

该研究通过将裸仁南瓜（HL）和有壳南瓜（H）杂交，构建了F₂遗传分离群体。遗传分析表明，南瓜无壳性状受单一隐性等位基因（hh）控制。利用BSA-seq基因定位技术方法，初步将无壳性状定位到12号染色体的一个1.43 Mb的区间（99%的显著性水平；图1a）。为了进一步精细定位无壳性状可能的候选QTL/基因，作者利用KASP标记和F₂群体构建了候选区间的遗传图谱。最后，基于26个KASP标记的重组单株的筛选，将候选区间缩小到一个189.67 kb的区域内（图1b）。然后通过序列分析将候选基因锁定到Cp25标记（indel标记）的一个NAC转录因子CpNST1（图1c）。基因序列分析结果显示在裸仁南瓜中该基因的第一个外显子区有一个14 bp的indel序列插入，导致该基因翻译提前终止（图1d-f）。在10个完全裸仁南瓜种质中的基因分型结果（图1g-h）进一步支持了CpNST1基因突变导致了南瓜无壳性状的发生。

该研究同时对裸仁南瓜和有壳南瓜不同发育时期的种皮进行了细胞学比较分析，以进一步验证CpNST1在南瓜种皮形成中的作用。与有壳南瓜相比，裸仁南瓜种皮中并没有细胞丢失，所有细胞层的细胞均可以发育到正常大小。但在裸仁南瓜种皮的任何细胞类型中都没有次生细胞壁（SCWs）的沉积。而在有壳南瓜中，厚壁组织细胞层（scl）、下皮层（hy）和薄壁组织细胞层（m1）均在授粉后10天开始沉积SCWs。原位杂交结果表明CpNST1主要在这三个细胞层中表达，尤其在scl中表达明显（图1a-b）。这些结果进一步证实了CpNST1为南瓜种皮SCWs形成的关键基因。此外通过细胞壁成分鉴定发现三层细胞的SCWs由不同的成分组成。 hy和m1层细胞壁主要沉积木质素（图2c），而scl细胞层主要由纤维素组成（图2d），提示CpNST1可能参与调控不同细胞层的SCWs生物合成。种壳发育过程中的比较转录组分析结果进一步表明了CpNST1在种壳次生细胞壁合成调控网络中的关键作用。该研究的发现不仅为利用分子设计育种选育无壳种子作物特别是油料作物品种提供了宝贵的基因资源，也为植物种皮次生细胞壁形成分子调控网络研究提供了重要线索。

农业与生物技术学院种质创新与分子育种实验室吕小龙博士后为论文的第一作者，张明方教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目（2019YFD1001904）和浙江省农业(蔬菜)新品种选育重点科技计划项目（2021C02065）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhac136

图1. 裸仁南瓜无壳性状基因定位

图2. CpNST1原位杂交（a-b）与种皮SCWs成分分析（c-d)