MicroRNA156-SPL13B模块通过赤霉素途径诱导单性结实：苹果无籽果实形成的新机制

本研究揭示了microRNA156-SPL13B模块通过赤霉素（GA）途径调控苹果单性结实的分子机制。研究发现miR156h通过靶向MdSPL13B，直接抑制GA生物合成基因（MdKO、MdKAO2和MdGA20ox）的表达，同时通过调控MdMSI1介导的组蛋白修饰（H3K27me3）影响GA失活基因（MdGA2ox8和MdSPY）的表达。该发现为无籽果实育种提供了重要理论依据。

　　

MicroRNA156-SPL13B模块通过赤霉素途径诱导单性结实的机制研究

1 引言

在大多数有性生殖植物中，果实形成通常需要授粉和受精过程。单性结实（parthenocarpy）是指不经过授粉和受精而发育成果实的现象，这一特性不仅受到消费者青睐，还能在恶劣环境下保障产量稳定性。赤霉素（GA）和生长素是调控单性结实的两种关键植物激素，但其分子机制尚未完全阐明。microRNA（miRNA）作为重要的基因表达调控因子，在植物发育过程中发挥重要作用，但miRNA在单性结实中的功能仍不明确。

2 结果

2.1 MIR156基因过表达促进单性结实

研究发现，在未授粉条件下，MdMIR156h转基因拟南芥的角果能够膨大但不产生种子，表现出典型的单性结实特征。原位杂交显示MdmiR156h在苹果花托中高表达。将MdMIR156h转入'嘎拉'苹果后，未授粉处理的转基因苹果果柄保持附着并开始发育，而野生型果柄则脱落。类似地，在番茄中过表达MdMIR156h或同源基因SlMIR156a也能诱导无籽果实形成，表明miR156在不同物种中具有保守的调控功能。

2.2 SPL13B参与MdMIR156h介导的单性结实

通过系统发育分析鉴定出MdSPL13B是miR156h的靶基因。RLM-5'RACE证实miR156h在MdSPL13B第三个外显子上存在切割位点。在番茄中过表达MdSPL13B会抑制单性结实，而沉默SlSPL13B则促进无籽果实形成。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）系统证实，瞬时沉默MdSPL13B可显著降低MdMIR156h过表达苹果的单性结实率，表明MdSPL13B参与miR156h介导的单性结实调控。

2.3 miR156h-MdSPL13B模块通过GA生物合成途径调控单性结实

转录组分析显示，GA信号转导通路基因在转基因苹果中显著富集。激素测定发现MdMIR156h过表达苹果中GA₃和GA₄含量显著升高。外源GA处理能诱导所有番茄品系形成无籽果实，而GA生物合成抑制剂PAC则抑制果实发育。进一步研究发现，MdSPL13B直接结合GA生物合成基因MdKO、MdKAO2和MdGA20ox的启动子GTAC顺式元件，抑制这些基因的转录。

2.4 MdMSI1是MdSPL13B的靶标并调控单性结实

研究发现MdSPL13B不直接结合GA失活基因MdGA2ox8和MdSPY的启动子，但能通过结合MdMSI1启动子间接调控这些基因的H3K27me3修饰水平。过表达MdMSI1显著提高苹果和番茄的单性结实率，并增强MdGA2ox8和MdSPY位点的H3K27me3修饰。外源GA处理可恢复MdMSI1过表达番茄的结实能力，表明其通过GA信号通路调控单性结实。

2.5 MdMSI1参与MdSPL13B调控的GA生物合成和单性结实

遗传分析显示，同时沉默MdSPL13B和MdMSI1的果实结实率高于单独沉默MdMSI1，表明miR156h-MdSPL13B模块调控单性结实的机制不完全依赖MdMSI1。有趣的是，MdMSI1过表达会反馈性上调MdMIR156h表达并抑制MdSPL13B，形成调控环路。

3 讨论

3.1 miR156h-MdSPL13B模块通过GA途径调控单性结实

本研究首次揭示了miR156-SPL模块在单性结实中的关键作用。MdSPL13B通过直接抑制GA生物合成基因表达来调控GA含量，进而影响果实发育。这一发现为理解植物激素调控无籽果实形成的分子机制提供了新视角。

3.2 MdSPL13B介导的MdMSI1抑制影响GA相关基因的组蛋白修饰

研究阐明了表观遗传调控在单性结实中的作用机制。MdSPL13B通过抑制MdMSI1表达，降低GA失活基因MdGA2ox8和MdSPY的H3K27me3修饰水平，从而维持GA信号通路的活性。这种转录因子-表观遗传调控因子的级联反应为植物发育调控提供了新模式。

3.3 MdMSI1可能反馈调控miR156h-MdSPL13B模块

研究发现MdMSI1能反馈性调节miR156h和MdSPL13B的表达，形成复杂的调控网络。这种双向调控机制确保了植物在不同发育阶段对GA信号的精确控制，为作物遗传改良提供了多个潜在的分子靶点。

4 材料与方法

研究采用苹果'嘎拉'、番茄'Micro Tom'等材料，通过基因过表达、RNA干扰、VIGS、酵母单杂交等技术验证基因功能。采用LC-MS/MS测定激素含量，染色质免疫沉淀（ChIP）分析组蛋白修饰，EMSA和双荧光素酶报告系统验证蛋白-DNA互作。所有实验均设置生物学重复，数据经统计学分析。