SmCOL2在茄子花发育和单性结实中的作用及机制研究

Parthenocarpy is a desirable trait in vegetable plant breeding. However, the molecular mechanism of parthenocarpic fruit development in eggplant (Solanum melongena L.) is still unclear. Roles of B-box transcriptional factors CONSTANS (CO) and CONSTANS-LIKE (COL) in the regulation of photoperiodic flowering have been widely concerned in many plants. During our previous studies, transcriptomes of a parthenocarpic eggplant (PP05) and two non-parthenocarpic eggplants (PnP05 and GnP05) were analyzed using RNA sequencing technology (RNA-seq), and identified a potential parthenocarpy-related gene SmCOL2, which was down-regulated in PP05. Therefore, the present study is proposed to: 1) amplification and sequencing of the full length of SmCOL2; 2) identification of the expression patterns of SmCOL2 in PP05 and PnP05; 3) construction and characterization of SmCOL2 gene-knockout and overexpression mutants, including phenotypic, biochemical and anatomical changes, compared with their parents; 4) Screening of SmCOL2 regulated genes using transcriptomic analysis of transgenic mutants and their parents. The finish of present study will uncover the roles of SmCOL2 in the regulation of flowering and parthenocarpy in eggplant. Besides, our results will benefit relevant studies of other plants.

单性结实品质是蔬菜育种研究的热点之一。目前，人们对于茄子单性结实的分子机制了解较少。转录因子CONSTANS（CO）和CONSTANS-LIKE（COL）在多种植物光周期开花调节中起重要作用。在前期研究中，我们通过转录组测序（RNA-seq）比较了单性结实（PP05）和非单性结实茄子（PnP05和GnP05）的表达谱，一个COL编码基因SmCOL2在PP05中显著下调，提示SmCOL2可能与茄子单性结实相关。因此，本研究拟克隆SmCOL2全长并测序；分析不同条件下SmCOL2基因在PP05和PnP05中的表达模式；构建SmCOL2基因沉默和超量表达转基因植株，分析其表型、生理指标和解剖结构；通过RNA-seq筛选亲本及转基因植株的差异表达基因，并分析SmCOL2可能的调节途径。研究结果有望揭示SmCOL2在茄子花发育和单性结实中的作用和机制，并可为其他植物的相关研究提供参考。

摘要：单性结实品质是蔬菜育种研究的热点之一。目前，人们对于茄子单性结实的分子机制了解较少。转录因子CONSTANS（CO）和CONSTANS-LIKE（COL）在多种植物光周期开花调节中起重要作用。在前期研究中，我们通过转录组测序（RNA-seq）比较了单性结实（PP05）和非单性结实茄子（PnP05和GnP05）的表达谱，一个COL编码基因SmCOL2在PP05中显著下调，提示SmCOL2可能与茄子单性结实相关。本研究克隆了SmCOL2 cDNA全长，测序结果显示，SmCOL2编码序列全长657 bp，编码一个218 aa蛋白质。通过结构预测发现SmCOL2蛋白含有一个锌指结构，由一个α-螺旋和两个反平行的β-折叠三个肽段组成，形似手指，具有结合锌离子的功能和转录调控因子特征。茄子单性结实材料PP05和非单性结实材料PnP05的SmCOL2 cDNA序列并没有差异，预测其调节茄子单性结实主要依赖于其在不同植株中表达量的差异。通过基因表达模式分析发现，SmCOL2基因在开花前的花蕾、茎和叶片中的表达量相对较高。单性结实材料PP05仅在开花当时的花中的表达量显著低于（P <0.01）非单性结实材料PnP05，结果显示，SmCOL2的表达调控较为复杂，其在茄子花发育和单性结实过程中的正调控作用可能强于我们起初预测的负向调控作用。本研究还构建了基于CRISPR/Cas9系统的SmCOL2基因突变载体，并通过农杆菌侵染茄子组织，以期构建靶基因敲除和增强型转基因植株，深入研究该基因的功能。然而通过多次尝试，目前为止也未能获得转基因植株。相关研究还在进一步开展之中。进一步的研究结果将为深入阐明茄子单性结实的调控机制奠定基础。