赤霉素诱导仙人掌梨(Opuntia ficus-indica)单性结实突变体果实发育的分子机制解析

本研究针对仙人掌梨果实因硬种籽影响消费的问题，通过分析自然突变体Beer Sheva1(BS1)的单性结实表型，揭示了赤霉素(GAs)通过GID-GA20ox/GA2ox遗传系统调控GA生物合成/代谢的关键作用。研究发现BS1子房中GA1和GA4等活性赤霉素水平显著升高，通过外源施加赤霉素抑制剂PBZ可逆转表型，结合转录组测序鉴定出7717个差异表达基因(DEGs)，为无籽果实育种提供了新靶点。

　　

仙人掌梨(Opuntia ficus-indica)作为抗旱经济作物，其果实因含10-15%的硬种籽而限制消费潜力。传统育种难以解决这一难题，而自然突变体Beer Sheva1(BS1)表现出的单性结实特性为研究提供了突破口。这种突变体果实不仅无籽，还具有早熟、果颈延长等特征，但其分子机制尚不明确。

以色列本古里安大学雅各布·布劳斯坦干旱地区研究所的研究团队通过多组学方法解析了BS1的遗传奥秘。研究发现，BS1子房中活性赤霉素(GA₁和GA₄)水平较回复体高10-20倍，这种差异源于GA20氧化酶(GA20ox)表达上调与GA2氧化酶(GA2ox)表达抑制的协同作用。当用赤霉素生物合成抑制剂PBZ处理BS1花芽时，突变体竟神奇地"回复"为可育表型，直接验证了赤霉素的核心调控作用。

研究采用的关键技术包括：1) 赤霉素定量分析(UPLC-MS/MS)；2) 时空转录组测序(RNA-seq)鉴定差异表达基因；3) 组织学观察胚珠发育过程；4) 外源激素处理验证表型可逆性。

赤霉素水平异常导致BS1独特表型

通过比较BS1与回复体子房发现，BS1中早期13-羟基化途径产物GA₅₃含量低112倍，但活性GA₁和GA₄分别高8.8倍和150倍。这种"低前体-高活性"模式暗示代谢流重编程。

GID-GA20ox/GA2ox系统调控网络

转录组分析揭示GA受体GID1在BS1中表达显著上调，激活GA20ox表达并抑制GA2ox。这种"双开关"机制导致活性GA积累，与拟南芥中SCL3-DELLA调控模块相似但具有物种特异性。

转座子可能参与表型变异

发现Ty3/Gypsy类转座子在BS1花芽中活跃表达，其10%的自发回复频率远超自然突变率，暗示转座子可能通过插入GA相关基因调控区影响表型。

这项发表在《Plant Cell Reports》的研究首次绘制了仙人掌梨单性结实的激素调控图谱，不仅为理解植物无融合生殖提供新视角，更通过GID1-GA20ox/GA2ox靶点体系为分子设计育种指明了方向。在气候变化加剧的背景下，该成果对发展抗旱无籽作物具有重要应用价值，相关机制还可能推广至其他园艺作物。