黄瓜单性/两性花发育的分子调控机理研究

As a result of its diversity in sex types, cucumber (Cucumis sativus L.) has been used as a model for sex determination in plants. Although the cloning of M gene opens a window for the regulation in unisexual/bisexual flowers, the detail mechanism is still a problem needed to be further explored. Our research team has collected two new bisexual cucumber mutates, XN38 and SHZ-H. In this study, with the map-based cloning strategy, we plan to (1) isolate the genes (m-38 and m-shz, respectively) controlling the bisexual flower phenotypes in the XN38 and SHZ-H lines, then analyze their biochemical function and gene expression pattern; (2) develop and screen the double and triple mutation to study the genes interaction; (3) transform the M gene, M-38 gene and M-SHZ gene into Arabidopsis thaliana, and try to construct a detection system of cucumber unisexual/bisexual genes in Arabidopsis plants; (4) do RNA-Seq analysis with transgenic Arabidopsis and cucumber plants to isolate the related genes in the regulation of unisexual/bisexual flowers in cucumber. Finally, with the three unisexual/bisexual flowers controlling genes, as well as the related genes from RNA-Seq, we will attempt to construct the gene network model for the regulation of unisexual/bisexual flowers in cucumber. The purpose of this project is to study the "arrest" phenotype of the stamen develpoment in cucumber plant, make some further studies in unisexual/bisexual flower regulation, and enrich the research of sex determination in cucumber plant.

黄瓜植株性型分化丰富，是研究植物性别决定的模式植物。以M基因的克隆为代表的单性/两性花调控机理研究刚刚起步，是有待进一步深入探索的问题。前期项目组收集了两个新型黄瓜两性花突变体XN38和SHZ-H。本项目拟利用图位克隆技术分离黄瓜材料XN38和SHZ-H中两性花控制基因m-38和m-shz，并分析其生化功能和基因表达模式；配制并筛选双突变个体，以及与m基因结合的三重突变体，分析基因互作关系；将M基因、M-38基因和M-SHZ基因转化拟南芥，尝试构建黄瓜单性/两性花基因拟南芥检测体系；进行转基因拟南芥和转基因黄瓜材料性型分化特异时期RNA-Seq差异分析，分析其中基因调控路径。最后结合所有已克隆的单性/两性花控制基因，以及测序获得的相关基因，构建黄瓜单性/两性花基因调控网络模型。本研究旨在探索黄瓜雄蕊发育受"抑制"的分子机制，将黄瓜单性/两性花调控机理研究推向深入，丰富黄瓜性型分化研究。

由于性型分化多样，且与生物学产量密切相关，性别决定一直是黄瓜植物学研究的热点，黄瓜也被认为是研究植物性型分化的模式。黄瓜是典型的单性花植物，其中的两性花突变体是研究性型分化的宝贵材料。本项目主要围绕单性/两性花分化的分子机制展开研究。通过新发掘的黄瓜两性系突变体，发展三亲本定位体系，快速图位克隆其突变基因，明确CsACS2基因调控黄瓜单性/两性花发育的功能。通过证明CsACS2基因的乙烯合成酶特性，明确乙烯在黄瓜性型分化中的核心作用。通过CsACS2基因不同突变表型分析，揭示乙烯在黄瓜子房发育过程中存在关键作用。通过CsACS2基因不同突变及拟南芥转基因系转录组分析，发掘获得性型相关的乙烯响应因子CsERF110。通过CsERF110基因的功能分析，证实黄瓜性型控制基因通过乙烯直接发生作用。利用花发育突变体，再次使用三亲本定位体系，图位克隆黄瓜花发育途径关键基因CsWOX1。通过CsWOX1基因的功能分析，推论黄瓜性型分化是独立于花发育的普遍途径而单独存在的发育过程，黄瓜性型控制基因可能通过与花发育一般基因发生作用进而调控花器官建成。基于以上研究结果，我们更新了黄瓜性型调控的分子作用模型，认为性型调控基因通过乙烯信号发生互作关系。上游性型基因表达产生乙烯后，经乙烯信号传导通路激活/抑制下游基因的表达，从而产生性型变化。本项目的研究直接证实了CsACS2基因在黄瓜单性/两性花分化中的功能；明确了黄瓜性型基因通过乙烯直接发生互作关系；初步阐释了黄瓜花发育进程中特殊的性型分化过程与常规花发育的关系。这些研究结果一方面将黄瓜性型调控机理研究推向深入，丰富了植物性别决定现象的研究；另一方面，新产生的两性系材料直接应用于黄瓜育种工作，也具有一定的现实意义。