CIPS1基因介导的2n花粉形成机制为三倍体无籽西瓜育种提供新策略

本研究针对传统三倍体西瓜育种周期长、存活率低等问题，通过CRISPR/Cas9靶向编辑西瓜CIPS1基因，首次实现2n花粉的分子操控。研究发现CIPS1突变导致减数分裂II期纺锤体平行排列异常，产生40%二倍体花粉，通过自交或杂交成功获得三倍体后代。该成果为葫芦科及其他作物无籽品种培育提供了关键理论依据。

　　

无籽西瓜因其食用便利性和优良品质日益成为消费市场的主流，但传统三倍体西瓜育种面临育种周期长、三倍体F₁代存活率低等瓶颈。西北农林科技大学园艺学院Yuan Li团队在《Molecular Horticulture》发表的研究，揭示了西瓜CIPS1基因调控2n花粉形成的新机制，为无籽西瓜育种提供了突破性解决方案。

传统三倍体西瓜需要通过化学诱导获得四倍体母本，再与二倍体父本杂交，过程繁琐且效率低下。而自然界中通过未减数(2n)配子形成多倍体的现象，为育种提供了新思路。研究团队基于拟南芥AtPS1基因的同源分析，在西瓜中鉴定出关键基因ClPS1（Cla97_C09G173120），该基因在减数分裂和配子形成阶段高表达。

研究采用CRISPR/Cas9技术构建clps1突变体，发现突变体花粉呈现显著的大小二态性：一类直径57.83±4.18 μm（单倍体），另一类达80.29±4.54 μm（与四倍体花粉尺寸相当）。流式细胞术证实突变体产生36.9%的2n花粉，免疫荧光显示大花粉含有双倍染色体数。

关键实验技术包括：

1. 1.

   系统发育分析鉴定西瓜PS1同源基因

2. 2.

   CRISPR/Cas9基因编辑构建clps1突变体

3. 3.

   流式细胞术检测花粉倍性

4. 4.

   免疫荧光标记着丝粒蛋白ClCenH3

5. 5.

   细胞学观察减数分裂过程

ClPS1在减数分裂和配子发生中高表达

通过qPCR和原位杂交证实ClPS1在四分体时期表达达峰，花粉粒中持续高表达，表明其参与减数分裂II期调控。

clps1突变导致父本遗传的种子发育异常

突变体自交产生37.5%的败育种子和5.94%畸形种子。回交实验证明该表型为父本遗传，胚胎囊发育观察证实雌配子发育正常。

突变体产生二倍体孢子和花粉

亚历山大染色显示突变体产生42.3%的二分体(dyad)，流式检测到2C核型花粉，免疫荧光证实大花粉含双倍着丝粒信号。

平行纺锤体形成导致2n雄配子

减数分裂观察发现突变体在中期II出现平行或三极纺锤体，导致染色体错误分配，形成FDR型(First Division Restitution)2n花粉。

clps1产生非整倍体和三倍体后代

除1.4%的三倍体外，突变体后代还出现染色体数目异常的个体（如17.5±1.0条染色体），为西瓜非整倍体研究提供新材料。

该研究首次在西瓜中实现2n配子的分子操控，将三倍体育种周期从传统方法的5-8代缩短至一步杂交。虽然三倍体形成效率（1.4-1.6%）低于拟南芥同源突变体（30%），但研究提出的花粉分选策略和雌配子突变体构建思路，为葫芦科作物无籽品种培育开辟了新途径。值得注意的是，PS1基因在瓜果类作物中高度保守，该技术有望拓展至甜瓜、黄瓜等重要经济作物的无籽化育种。