葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的研究進展 曾 康 汪淑雯 周冰瑩 王華森 徐云敏 浙江農林大學 農業(yè)與食品科學學院 浙江省農產品品質改良技術研究重點實驗室 浙江 杭州 311300 摘要 葫蘆 科 Cucurbitaceae植物多 為 1年生爬藤植物 是農業(yè)生產的重要植物科之一 卷須是葫蘆科植物關鍵形態(tài)學標 記 本研究總結分析了葫蘆科植物關于卷須方面的主要研究成果 并對未來的研究提出展望 目前 關于葫蘆科園藝作 物卷須的研究主要集中于 卷須的變態(tài)來源 調控卷須發(fā)生的關鍵基因 卷須組織中特異或高量表達基因 內源激素調控卷須發(fā)育 外界環(huán)境對卷須發(fā)生的影響 主要結論為 葫蘆科園藝作物卷須被確定為側分枝的變態(tài)器 官 調控卷須發(fā)生的關鍵基因 為 TCP1 卷須組織特異或高量表達基因主要參與植物形態(tài)建成 趨向性 生長素極性運 輸 鈣離子轉運 谷氨酸代謝 木質素代謝等 而這些與卷須發(fā)生 發(fā)育 卷曲纏繞密切相關 激 素 生長素 赤霉 素 和外界環(huán) 境 光 溫 水分 均被報道可影響葫蘆科園藝作物卷須發(fā)育 但具體分子機制均未知 未來葫蘆科園藝作 物卷須的研究應集中于關鍵基 因 TCP1的上下游基因網絡解析 完善激素和外界環(huán)境對卷須的調控作用 結合日趨成熟 的基因編輯技術 探究葫蘆科園藝作物卷須的分子調控網絡以及開展無卷須育種設計 圖2參32 關鍵詞 植物學 葫蘆科 卷須 發(fā)生 無卷須育種 中圖分類號 Q944 文獻標志碼 A 文章編號 2095 0756 2020 06 1216 08 Research progress on tendril formation in Cucurbitaceae horticultural crops ZENG Kang WANG Shuwen ZHOU Bingying WANG Huasen XU Yunmin The Key Laboratory for Quality Improvement of Agricultural Products of Zhejiang Province College of Agriculture and Food Sciences Zhejiang A 2 the key gene regulating tendril development 3 the genes specifically or highly expressed in tendrils 4 the endogenous hormones regulating tendril development 5 the influence of external environment on tendril development The main conclusions are as follows tendrils of Cucurbitaceae horticultural crops are identified as abnormal organs of lateral branches and the key gene regulating tendril is TCP1 Tendril tissue specific or high level genes are mainly involved in morphological development tropism auxin polar transport calcium ion transport glutamate metabolism lignin metabolism which are closely related to tendril generation development and coiling Hormone auxin gibberellin and environment factors light temperature and water have been reported to affect tendril development but the specific molecular mechanism remains unknown Future research on tendrils of Cucurbitaceae horticultural crops should focus on the analysis of the upstream and downstream gene network of TCP1 to improve the regulatory effect of hormones and 收稿日期 2019 12 26 修回日期 2020 06 14 基金項目 國家自然科學基金資助項目 31700249 浙江農林大學2019年校級學生科研訓練項目 2013200154 作者簡介 曾康 從事園藝植物遺傳與育種研究 E mall zengkang42 通信作者 徐云敏 副研究員 博士 從事園藝植物遺傳與育種研究 E mall xuyunmin 浙 江 農 林 大 學 學 報 2020 37 6 1216 1223 Journal of Zhejiang A Cucurbitaceae tendril formation tendril less breeding 葫蘆 科 Cucurbitaceae植物多 為 1年生爬藤植物 全球廣泛分布 以熱帶和亞熱帶地區(qū)居多 葫蘆科 共 有 90屬 800余種 中國 有 26屬 130余種 以西南地區(qū)各省最為豐富 1 葫蘆科植物在農業(yè)生產中具 有重要地位 其重要性僅次于禾本 科 Gramineae 豆 科 Leguminosae和茄 科 Solanaceae 葫蘆科園藝作物 為人類日常生活所需蔬菜和水果的重要來源 如黃 瓜 Cucumis sativus 南 瓜 Cucurbita moschata 絲瓜 Luffa cylindrica等重要蔬菜 2 西 瓜 Citrullus lanatus 甜 瓜 Cucumis melo等重要水果 3 此外 葫 蘆 Lagenaria siceraria還與中國特殊文化息息相關 卷須是葫蘆科植物重要的形態(tài)學特征 賦予其攀爬和附 著能力 來獲取更好的生存條 件 如空間 光照等 但是 卷須與植物生長發(fā)育之間并沒有直接的關聯 性 生產中 多為爬地或人工綁蔓栽培 卷須則成為消耗養(yǎng)分的多余器官 因此 卷須需人工摘除 一 來減少養(yǎng)分消耗 防止卷須和果實之間的養(yǎng)分需求競爭 二來便于人工控制植物空間分布 防止因卷須 造成的無序攀爬生長 卷須的摘除不僅增加勞動力成本 摘除后留下的傷口也為病菌滋生提供機會 因 此 無卷須育種是滿足設施園藝栽培需求的重要育種方向 卷須為植物特殊的觸覺器官 適當的刺激即 可導致滲透驅動的可逆纏繞 卷須纏繞可敏感地響應外界環(huán) 境 光 溫度 和內源信 號 生長素 茉莉 酸 鈣離子 刺激 因此 卷須是研究特定條件刺激和植物快速應答的良好模型 4 葫蘆科植物卷須最近 被確定為 莖 側枝 變態(tài)來源 且受關鍵基 因 TCP1調控 5 為植物卷須發(fā)生調控的標志性研究成果 伴 隨著葫蘆科植物遺傳轉化體系和基因編輯技術的日趨成熟 6 實現無卷須精準編輯育種將成為可能 基 于此 本研究對葫蘆科園藝作物卷須變態(tài)來源 關鍵調控基因 卷須特 異 或高量 表達基因 環(huán)境條件 和內源激素調控卷須等方面的研究結果進行綜述 1 植物卷須的不同變態(tài)來源 卷須是植物行使攀爬 吸附 機械支撐的特殊變態(tài)器官 有助于植物獲取有利的光照條件和生存空 間 不同科屬植物卷須的變態(tài)來源不盡相同 可分為花序變態(tài)卷須 葉變態(tài)卷須和莖變態(tài)卷 須 圖 1 7 不同變態(tài)來源的卷須 其發(fā)生過程和調控機制存在顯著差異 1 1 花序變態(tài)來源的卷須 花 序 變 態(tài) 來 源 卷 須 的 植 物 常 見 于 葡 萄 科 Vitaceae 西 番 蓮 科 Passifloraceae 花 須 藤 科 Petermanniaceae 無 患 子 科 Sapindaceae 蓼 科 Polygonaceae 夾 竹 桃 科 Apocynaceae 車 前 草 科 Plantaginaceae和桔梗 科 Campanulaceae 7 該類型植物卷須發(fā)生的典型特征為 植物早期無卷須 進入 生殖期后才發(fā)生卷須 其中 以葡萄科和西番蓮科報道居多 8 圖 1 植物不同變態(tài)來源的卷須 7 Figure 1 The formation of tendril in different plants 第 37卷第6期 曾 康等 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的研究進展 1217 葡 萄 Vitis vinifera為葡萄科葡萄 屬 Vitis木質藤本植物 其卷須與花序為同源器 官 圖 1A BOSS等 9 基于一份矮化葡萄無卷須突變體材料 發(fā)現其卷須被替換為花序 證明葡萄卷須為花序的變態(tài)器官 研 究發(fā)現 矮化無卷須葡萄 為 VvGAI 編 碼 DELLA蛋白 的赤霉素不敏感型突變 VvGAI與小 麥 Triticum aestivum綠色革命基 因 Reduced height 1和擬南 芥 Arabidopsis thaliana insensitive GAI 基因同源 證明赤 霉素可抑制葡萄花序 促進卷須發(fā)生 9 1 2 葉變態(tài)來源的卷須 葉變態(tài)來源卷須的植物常見于豆 科 Fabaceae 菊 科 Asteraceae 紫葳 科 Bignoniaceae 罌粟 科 Papaveraceae 毛茛 科 Ranunculaceae和花荵 科 Polemoniaceae 7 其中 以豆科的豌 豆 Pisum sativum被研 究得最為清楚 7 豌豆葉片屬于復葉 復葉末端的小葉變態(tài)形成卷須 因此 較容易判斷其卷須為葉片 來源的變態(tài)器官 圖1B 豌豆中存在豐富的卷須缺陷材料 如 uni tl lath等 10 HOFER等 10 基 于 tendril less tl 研究發(fā) 現 HD ZIP 為豌豆卷須發(fā)生的關鍵調控子 HD ZIP 通過抑制葉片舒展從而變態(tài)發(fā)育形成卷須 此 外 UNIFOLIATA LEAFY LATH可通 過 HD ZIP 調控豌豆卷須發(fā)生 進化樹分析顯示 該 HD ZIP 屬于一個特殊小分支家族基因 推測蝶形花亞 科 Papilionoideae野豌 豆 Vicia sepium的卷須進化產生 與 HD ZIP 基因的獲得相關 10 1 3 莖變態(tài)來源的卷須 莖變態(tài)是被子植物卷須最為常見的形式 植物莖變態(tài)卷須分多次獨立進化產生 莖變態(tài)卷須植物常 見于 木蘭 目 Magnoliales的番荔枝 科 Annonaceae 超菊類植物 如鐵青樹 科 Olacaceae 茶茱萸 科 Icacinaceae 夾竹桃 科 Apocynaceae和馬錢 科 Loganiaceae 薔薇類植物 如衛(wèi)矛 目 Celastrales 酢漿草 目 Oxalidales 金虎尾 目 Malpighiales 豆 目 Fabales 薔薇 目 Rosales 葫蘆 目 Cucurbitales和無患子 目 Sapindales 7 有趣的是 薔薇類植物下屬的各個目幾乎都含有莖變態(tài)卷須的代表植物 相較于花序變態(tài) 和葉變態(tài)卷須 莖變態(tài)卷須研究積累較少 且僅限于葫蘆科植物 7 1 4 葫蘆科植物卷須的莖變態(tài)來源 卷須是葫蘆科植物重要的形態(tài)學特征 除少數轉變?yōu)?刺 如 Momordica spinosa 或者丟 失 如 Citrullus ecirrhosus Melancium campestre 之外 葫蘆科植物普遍具有卷須 7 葫蘆科植物卷須發(fā)生于葉 腋處 該位置同時存在側分枝 葉片 花序 因此 卷須變態(tài)來源一直存在爭議 曾經流 行 3種不同的 觀點 花變態(tài) 11 莖變態(tài) 12 莖 葉變態(tài) 5 GERRATH等 12 對刺囊 瓜 Echinocystis lobata葉腋復合 體 axillary bud complex 產生雌雄花序 側分枝 卷須的次序進行詳細觀察 提出葫蘆科植物卷須為側分 枝變態(tài)器官 解剖觀察發(fā)現 葫蘆科植物卷須的結構與莖的結構存在相似性 SENSARMA 13 發(fā)現 葫蘆科植物 卷須內部的維管結構與 莖 或者莖 葉 的維管結構相似 暗示其卷須與莖為同源器官 譚敦炎等 14 解剖 發(fā)現 西瓜卷須的結構與莖的結構基本相似 何金鈴等 15 解剖發(fā)現 黃瓜卷須和莖的橫切面均包含表 皮 皮層與維管 柱 3個部分 卷須解剖結構由基部向末梢越來越簡單 主要表現為皮層中的厚角組織和 厚壁細胞層數逐漸減少 維管束結構逐漸簡化 此外 黃瓜卷須基部維管柱內含有維管 束 5 9束 通常 為 5束 排 成 1圈 遠軸 面 3束 較大 近軸 面 2束 較小 卷須的維管束結構與莖相同 為典型的雙 韌維管束 15 解剖結構的相似性 也提示葫蘆科植物卷須的莖變態(tài)來源 瓜類蔬菜遺傳協(xié) 會 Cucurbit Genetics Cooperative http cuke hort ncsu edu cgc 記錄的葫蘆科植物卷 須缺陷突變體 包括黃瓜 的 tendrilless td 16 西瓜 的 tendrilless branchless tl bl 17 西葫 蘆 Cucurbita pepo的 tendrilless td 18 多為卷須發(fā)育缺陷 退化的突變體 而非卷須發(fā)生缺陷突變體 且相應功能基 因未被克隆 OIZUMI等 19 于 2005年報道一份甜瓜無卷 須 Tendril less TL 材料 Chiba TL Chiba TL 源 自甜瓜品種 Fuyukei 1 的自發(fā)突 變 收集 于 1991年 為單基因隱性突變 MIZUNO等 5 將 Chiba TL 簡寫 為 ctl 與 Fuyukei 1 Wildtype 簡寫 為 CTL 雜交獲 得 CTL ctl雜合子 詳細記 錄 CTL CTL ctl ctl的卷須發(fā)生 CTL的 第 5節(jié)位及之后節(jié)位均發(fā) 生 1個側分枝 和 1個卷須 ctl的每個節(jié)位則 1218 浙 江 農 林 大 學 學 報 2020年 12月 20日 發(fā) 生 2個側分枝 側分 枝 1和側分枝 2 與 CTL的卷須同源 CTL ctl的 第 10節(jié)位及之后節(jié)位發(fā) 生 1個側 分枝 和 1個卷 須 與野生 型 CTL第 5節(jié)位及之后的表型一致 第 10之前的節(jié)位產生一種特殊的莖 卷須 過渡結構 基部為莖變態(tài)結構 末梢處為葉變態(tài)結構 由此確定 甜瓜卷須為側分枝的莖葉變態(tài)結 構 modified stem leaf complex 5 同年 WANG等 16 在 3 342份黃瓜材料中發(fā) 現 1份無卷須材 料 Tendril less line CG9192 line 命名 為 ten 其無攀爬能力 卷須之外的其他器官均正常 表型觀察發(fā)現 ten的缺陷卷須由莖 雄花 1片或幾片 葉 葉柄卷曲 構成 證明黃瓜卷須為側分枝的變態(tài)器官 16 基 于上述甜瓜 ctl 和黃瓜 ten 無卷須材料 證明葫蘆科植物卷須為莖變態(tài) 側分枝 來源 圖1C 16 2 葫蘆科園藝作物卷須的特征 卷須初始發(fā)生是葫蘆科植物由幼年期進入抽蔓期的形態(tài)標志 有助于葫蘆科園藝作物熟性育種研 究 以黃瓜為例 通 常 3 5節(jié)位初始發(fā)生卷須 前面節(jié)位發(fā)生的卷須較細 較短 顏色較白 為不具備 卷曲纏繞能力的 無功能性 卷 須 圖 2A 后面節(jié)位發(fā)生的卷須較粗 長度一 般 10 20 cm 顏色淡 綠 頂部彎曲 與主莖夾角小于90 具有卷曲纏繞能力 圖2B 15 依據末梢是否分叉和分叉比例 可分為不分 叉 等比例分叉和不等比例分 叉 3種不同類型卷 須 圖 2C和 圖 2D 黃瓜 甜瓜的卷須多為不分 叉類型 西瓜的卷須多為等比例分叉類型 南 瓜 絲瓜 葫蘆的卷須多為不等比例分叉類型 18 苦瓜的卷須存在不分叉和等比例分 叉 2種類型 前者更為普遍 20 鐘建等 20 將 佛 瀝 734 卷須 分叉 栽培苦 瓜 Momordica charantia自交系 作 母本 和 AVBG1602 卷須不分叉 半野生苦瓜 自交系 作父本 進行雜交 發(fā)現苦瓜卷須分叉 不分叉 受 1對顯性基因控制 卷須分叉為顯性性狀 3 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的相關基因 3 1 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的關鍵基因 TCP1 基于甜 瓜 ctl和黃 瓜 ten無卷須突變體 證明葫蘆科植物卷須的莖變態(tài)來源 并確定卷須發(fā)生的關鍵 調控基 因 CTL和 TEN 兩者為同源基因 編碼葫蘆科植物特有 的 TCP1轉錄因子 5 TCP TEOSINTE BRANCHED 1 CYCLOIDEA PCF 為植物特有的轉錄因子家族 含 有 1個 TCP結構域 負責核定位 和 DNA識別結合 21 植 物 TCPs可分為 類型和 類型 其中 類型又可細分 為 CIN類型 和 CYC TB1類 型 CIN類型 的 TCPs多 為 miR319的靶基因 CYC TB1類型 的 TCPs與植物側分枝發(fā)育相關 如 CsBRC1通過抑 制 CsPIN3基因表達 進而通過生長素的積累來抑制黃瓜側枝的發(fā)育 22 類 型 TCPs可 識別結 合 GGNCCCAC序列 類 型 TCPs則可識別結 合 G T C GGNCCC序列 兩者在識 別 DNA序列 上的存在重疊 23 TCPs轉錄因子可行使轉錄激活或者抑制的功能 這可能與相應的互作蛋白相關 24 TCPs已被證明參與植物多個生長發(fā)育和逆境脅迫響應調控 隨著研究的深入 植 物 TCPs轉錄因子的功 能將得到進一步豐富 MIZUNO等 5 通過圖位克隆將甜 瓜 ctl突變位點定位在 連鎖 群 1個 約 200 kb 第 9連鎖群 的 1 238 1 451 kb 的區(qū)間 區(qū)間內含 有 17個注釋基因 二代測序顯示 Chiba TL 和 Fuyukei 1 僅 在 MELO3C022091基因 第 1外顯子內存 在 1個單堿基插入 缺失差異 MELO3C022091屬 于 CYC TB1類型 的 TCP基因 將其命名 為 CmTCP1 該基因在甜瓜卷須特異表達 CmTCP1Fuyukei 1可編 碼 1個完 整 TCP蛋白 含 TCP結構域 和 C端 的 R domain 類 型 TCP蛋白特有 長度 為 18 20 個氨基酸 富含精氨 酸 CmTCP1Chiba TL編碼的TCP蛋白則缺失包含R domain的C端序列 5 氨基酸序列比對分析發(fā)現 TCP結構域 的 Helix I 屬 于 bHLH結構域 負 責 DNA結合 區(qū)域內 有 1個高度保守的丙氨 酸 Ala 在葫蘆科植 物 TCP1中被特異性替換為絲氨 酸 Ser 5 有趣的是 野豌豆 圖 2 葫蘆科園藝作物卷須的不同形態(tài) 15 Figure 2 Different types of tendrils in Cucurbitaceae horticultural crops 第 37卷第6期 曾 康等 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的研究進展 1219 族植物卷須的關鍵調控 子 HD ZIP 也存在類似現象 HD ZIP 的 Helix 3 屬 于 Homeodomain結構域 負 責 DNA結合 區(qū)域內 有 1個高度保守的丙氨酸 在野豌豆族植 物 HD ZIP 中被特異性替換為蘇氨 酸 Thr 10 丙氨酸和絲氨酸 蘇氨酸在親水性和極性上存在差異 且絲氨酸 蘇氨酸可被絲氨酸 蘇氨酸蛋白 激 酶 Ser Thr protein kinases 修飾 葫蘆科植物和野豌豆族植物上述相似的關鍵氨基酸替換和卷須的進 化出現 暗示不同植物卷須獨立進化發(fā)生可能存在機制上的相似性 WANG等 16 通過基因組重測序和基因表達分析 確 定 ten突變基因為黃瓜 第 5連鎖群上 的 Csa5G644520 TEN與 CmTCP1為同源基因 噴 瓜 Ecballium elaterium為葫蘆科植物中卷須缺失的物 種 序列分析顯示噴 瓜 TCP1基因至少存 在 2個提前終止突變 噴 瓜 TCP1為無功能基因 該序列分析 結果與噴瓜無卷須表型相吻合 16 黃 瓜 ten無卷須突變體中 CsTCP1 TEN 第 338位天冬酰胺替換為酪 氨 酸 N338Y 該突變氨基酸位 于 TCP結構域 和 R結構域之外 16 蛋白序列比對分析顯示 葫蘆科植 物 TCP1在 337 343處存 在 7個保守的氨基酸序 列 CNNFYFP 下劃線 為 ten的突變氨基酸位置 有趣 的是 該序列在所有已知物 種 TCPs蛋白序列中均不存 在 包 括 rosid 下屬的與葫蘆科植物相近物種 由此 WANG等 16 提出該特有氨基酸序列對于葫蘆科植物進化產生卷須具有重要貢獻 3 2 CsTCP1調控的下游基因 雙分子熒光檢測系統(tǒng)證明 CsTCP1為一個轉錄激活子 CsTCP1ten的轉錄激活能力顯著低 于 CsTCP1TEN wild type 表明葫蘆科植物特有 的 CNNFYFP序列可能 是 1個轉錄激活功能 域 transcriptional activation domain TAD 16 轉錄組分析顯示 黃 瓜 ten的缺陷卷須中 1 271個基因顯著上調 433個 基因顯著下調 16 1 271個上調基因的基因注 釋 GO 分析顯示 上調基因主要參與調控植物形態(tài)建成 如器官極性形 態(tài) 葉片形態(tài)和花形態(tài) 25 以 CsYAB1 Csa5G160 210 為例 該基因屬 于 YABBY基因家族 在 ten突變 體中上調 約 80倍 擬南芥中 YABBYs基因缺失突變體的葉片呈現針狀形 態(tài) needle like leaf 類似于黃 瓜卷須的形態(tài) EMSA檢測顯示 CsTCP1不直接結 合 CsYAB1基因啟動子 提 示 CsTCP1通過間接抑 制CsYAB1表達以確保卷須正常發(fā)育 16 433個下調基因 的 GO分析顯示 下調基因主要參與趨向性 生長素極性運輸 鈣離子轉運 谷氨 酸代謝 木質素代謝 這些過程已知與卷須發(fā)生 發(fā)育 卷曲纏繞密切相關 25 組織特異性表達分析顯 示 433個下調基因中 71個基因在卷須中特異表達 這些基因主要編碼鈣離子和鉀離子轉運體 水通 道蛋白 生長素響應相關蛋白 果膠酯酶 合成酶等 與細胞響應刺激 細胞膨脹 信息傳遞相關 25 CsTCP1被證明是轉錄激活子 下調基因可能 為 CsTCP1的直接下游靶基因 上述轉錄組分析結果可 為 CsTCP1介導黃瓜卷須發(fā)生 發(fā)育 卷曲纏繞的分子網絡解析提供重要參考 3 3 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的其他基因 CHEN等 26 通 過 EMS誘變篩選獲 得 1份黃瓜無卷須突變 體 td 1 tendril less mutant 為隱性突變 td 1同時具有多樣性缺陷表型 包括矮化 表皮毛減少 葉片褶皺 根系短小 圖位克隆 和 BSA測序確 定突變基因 為 CsGCN5 Csa6G527 060 為錯義突變 造成 第 82位天冬氨酸突變?yōu)樘於０?組織表達 檢測顯示 CsGCN5在黃瓜根 莖 葉 卷須等組織均有較高表達量 與 td 1具有多樣性缺陷表型相吻 合 26 CsGCN5編碼黃 瓜 1個組蛋白乙酰轉移 酶 histone acetyltransferase 已知組蛋白乙酰轉移酶調控 基因活化表達 提示表觀修飾對黃瓜卷須發(fā)生具有重要調控作用 27 但是 CsGCN5調控黃瓜卷須發(fā)生 的具體分子機制 CsGCN5與卷須發(fā)生關鍵基因CsTCP1是否存在關系等問題仍然未知 近期 國內相繼報道的黃瓜圓葉突變 體 round leaf mutants rl 均 為 Csa1G537 400基因的等位突變 體 Csa1G537 400基因編 碼 CsPID 28 PID為絲氨酸 蘇氨酸激酶 通過磷酸化修 飾 PIN而調控生長素的 極性運輸過程 29 rl突變體除葉片形態(tài)缺陷表型外 其卷須發(fā)生 花器官 胚珠也存在缺陷 29 提示生 長素極性運輸及生長素信號在黃瓜卷須發(fā)生中具有重要的未知調控功能 Aux IAA為生長素響應早期關鍵基因 莊丹等 30 對黃 瓜 29個 IAA基 因 CsaIAA1 CsaIAA29 表達檢 測發(fā)現 大部 分 CsaIAA不具備組織表達特異性 而 CsaIAA29表現為卷須特異性表達 提示其可能在卷 須響應生長素信號途徑中具有重要作用 1220 浙 江 農 林 大 學 學 報 2020年 12月 20日 4 內源激素調控葫蘆科園藝作物卷須 生長素與黃瓜卷須發(fā)生調控方面 WANG等 16 鑒定得 到 5個卷須特異表達的生長素響應基 因 Auxin responsive SAUR AUX IAA 并且 這 5個基因在黃 瓜 ten無卷須突變體中均顯著下調 此外 莊 丹等 30 也鑒定發(fā)現 CsaIAA29為黃瓜卷須特異表達基因 黃 瓜 rl圓葉突變 體 具有卷須發(fā)生缺陷表 型 的突變基因 為 CsPID CsPID通過磷酸化修 飾 PIN來調控生長素信號途徑 檢測發(fā) 現 rl圓葉突變體 特定組織中生長 素 IAA 水平降低 31 生長素調控黃瓜卷須發(fā)生的具體分子機制未知 但從上述研究報 道可推測 黃瓜卷須的發(fā)生或生長發(fā)育過程涉及生長素信號途徑 赤霉素與黃瓜卷須發(fā)生調控方面 AMEHA等 11 通過體外添加方法 研究激素對黃瓜花芽和卷須發(fā) 生的影響 發(fā)現體外添加GA4 7可導致黃瓜節(jié)間伸長 抑制節(jié)間花芽發(fā)生和促進卷須發(fā)生 5 外界環(huán)境條件調控葫蘆科園藝作物卷須 卷須的生長發(fā)育快速 且對外界刺激響應敏感 因此 不利外界環(huán)境下 葫蘆科園藝作物卷須最先 出現異常 以黃瓜為例 正常生長條件下 新生卷須通常比較粗壯 顏色為淡綠色 與主莖呈 90 夾 角 有彈性且易折斷 植株根系缺水 營養(yǎng)不足或出現衰老時 黃瓜新生卷須細短 末梢卷曲 植株體 內糖含量降低時 黃瓜新生卷須顏色發(fā)黃 外界環(huán)境溫度過低時 黃瓜卷須發(fā)生數量將增加 環(huán)境溫度 高濕度大時 黃瓜卷須出現直立生長狀態(tài) 因此 生產中 可通過卷須的形態(tài)特征指示葫蘆科園藝作物 生長狀況 但是 外界環(huán)境條件如何調控卷須的相關研究積累很少 L PEZ JUEZ等 32 報 道 1份黃瓜長下胚 軸 long hypocotyl mutant lh 突變體 表現為光形態(tài)建成缺 陷和過度避光反 應 extreme shade avoidance lh突變體具有節(jié)間伸長 葉片變薄 卷須發(fā)生增強的表 型 野生型黃瓜用遠紅 光 模擬遮光反應 處理后 出現節(jié)間伸長 葉片變薄 卷須發(fā)生增強 類似 于 lh突變體表型 以上研究結果表明 遮光可促進黃瓜卷須的發(fā)生 推測卷須發(fā)生增多 利于其向上攀 爬 從而躲避光照不足 但是這種調控的分子機制未知 6 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的調控及其利用展望 綜上所述 基于甜 瓜 ctl 和黃 瓜 ten 的無卷須突變體 證明葫蘆科植物卷須為 莖 側分枝 變態(tài) 研究揭示卷須發(fā)生的關鍵基因 為 TCP1 并鑒定獲得一些卷須特異表達基因 5 總之 葫蘆科園藝作物卷 須發(fā)生的研究已經取得一些關鍵性成果 TCPs為植物保守存在的轉錄因子家族 那 么 TCP1為何能作為葫蘆科植物卷須發(fā)生的關鍵調控子 基于甜 瓜 ctl無卷須突變體 MIZUNO等 5 研究認為 TCP結構域 內 Helix 區(qū)域 內 1個高度保守丙氨 酸 Ala 在葫蘆科植 物 TCP1中被特異性替換為絲氨 酸 Ser 此氨基酸替換對 于 TCP1調控卷須發(fā)生具 有關鍵作用 基于黃 瓜 ten無卷須突變體 WANG等 16 則研究認為 葫蘆科植物卷須進化發(fā)生 與 TCP1的 CNNFYFP序 列 位 于 TCP結構域之后 獲得相關 將來 對葫蘆科植 物 TCP1特有氨基酸或氨 基酸序列的分析和功能研究 將有望回答葫蘆科植物卷須如何進化產生的科學問題 植物卷須可為花序變態(tài) 葉變態(tài)和莖變態(tài) 分多次獨立進化而成 為研究趨同進 化 convergent evolution 的理想器官 16 莖變態(tài)為植物最常見的卷須來源 涉及的科屬物種也最為豐富 但是其研究 積累少且僅限于葫蘆科植物 因此 葫蘆科植物卷須發(fā)生調控分子機制的解析 可為其他莖變態(tài)卷須植 物的研究提供借鑒 甜 瓜 莖變態(tài)卷須 卷須被認為與關鍵調控 子 TCP1的 Helix 區(qū) 域 1個 Ala替換 為 Ser相關 5 豌 豆 葉變態(tài)卷須 卷須被認為與關鍵調控 子 HD ZIP 的 Helix 3區(qū) 域 1個 Ala替 換 Thr相 關 10 此外 赤霉素可促進黃 瓜 莖變態(tài)卷須 卷須發(fā)生 11 有趣的是 在葡 萄 花序變態(tài)卷須 中 赤霉 素通過抑制花序進而產生卷須 9 上述研究結果提示 植物卷須在趨同進化過程中 可能存在相似的作 用機制 今后 隨著以葫蘆科植物為代表的莖變態(tài)卷須發(fā)生機制的不斷解析 有望回答植物卷須趨同進 化的更多生物學問題 設施栽 培 或爬地栽培 中 卷須為耗能的多余器官 OIZUMI等 19 利用甜瓜無卷須材 料 ctl 將其 雜交導入商用品種 Takami 成功育成甜瓜無卷須商用種 TL Takami 田間測試發(fā)現 TL 第37 卷第6期 曾 康等 葫蘆科園藝作物卷須發(fā)生的研究進展 1221 Takami 甜瓜的藤蔓管理勞動成本降 低 20 40 證明無卷須在葫蘆科園藝作物育種上具有重要應用 價值 今后 隨著葫蘆科植物卷須發(fā)生分子調控網絡的不斷解析 各葫蘆科園藝作物基因組信息的不斷 完善 結合日趨成熟的遺傳轉化和基因編輯體系 可望實現基于基因精準編輯育成無卷須葫蘆科園藝作 物品種 7 參考文獻 1 中國科學院中國植物志編輯委員會 中國植物志 第73卷第1冊 M 北京 科學出版社 2004 2 全國城市農貿中心聯合會 中國農產品批發(fā)市場年鑒 2017 M 北京 中國言實出版社 2017 3 聯合國糧農組織 2018年農產品市場狀況 農產品貿易 氣候變化與糧食安全 R 羅馬 聯合國糧農組織 2018 4 WEILER E W ALBRECHT T GROTH B et al Evidence for the involvement of jasmonates and their octadecanoid precursors in the tendril coiling response of Bryonia dioica Jacq J Phytochemistry 1993 32 3 591 600 5 MIZUNO S SONODA M TAMURA Y et al Chiba Tendril Less locus determines tendril organ identity in melon Cucumis melo L and potentially encodes a tendril specific TCP homolog J J Plant Res 2015 128 6 941 951 6 RAN F A HSU P D WRIGHT J et al Genome engineering using the CRISPR Cas9 system J Nat Protoc 2013 8 11 2281 2308 7 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