番茄果实重量基因FW11.3控制细胞大小的分子机理研究

Tomato fruit weight is an important agronomic trait. It relates to fruit quality and yield, so it is one of the most important goals of tomato domestication and breeding. Tomato fruit weight is a quantitative trait. The cloning and molecular function analysis of major QTL genes controlling fruit weight will pave the road to investigate the molecular basis of tomato domestication and fruit development, which will provide directions for the genetic improvement of tomato fruit weight. The applicant of this project has been studying the domestication and genetic improvement of tomato fruit weight for many years. Recently, the applicant identified the Fruit Weight 11.3 (FW11.3) gene, a major QTL gene controlling fruit weight in tomato, through map-based cloning. Tomato fruit weight is determined by locule number, cell number and cell size. FW11.3 might be the first tomato fruit weight QTL gene found to control the cell size of fruit. FW11.3 encodes an unknown function protein. It is expressed much higher in columella than in pericarp. However, its mutant, fw11.3, increases cell size in pericarp. This project will ⑴ detect the cell specific expression pattern of FW11.3 gene in tomato fruit and the subcellular localization of FW11.3 protein; ⑵ determine the biological process of fruit cell size regulation FW11.3 protein involved, through comparing the cell structure, DNA ploidy, hormone, transcriptome and metabolome of the fruit of wild type, fw11.3 near isogenic line, and transgenic line; ⑶ figure out the role of FW11.3 protein in the biological process of fruit cell size regulation. The results of this project will not only help us to understand the molecular mechanisms controlling cell size in tomato fruit, but also provide an important genetic recourse for tomato improvement.

果实重量是番茄重要的农艺性状，决定着番茄品质和产量，是驯化和育种的重要目标性状。果实重量主效基因的克隆与功能分析，对于阐明番茄驯化和果实发育的分子机制、指导番茄遗传改良具有重要的理论和育种价值。申请人长期从事番茄果实重量驯化与分子改良研究，最近我们克隆了影响果实重量的主效基因FW11.3。番茄果实重量决定于心室数量、细胞数量和细胞大小。FW11.3基因可能是目前克隆的第一个通过影响果实细胞大小来调控果实重量的QTL基因。FW11.3基因编码一个功能未知蛋白。它主要在果心部位表达。本项目拟在此基础上，深入研究：番茄果实发育过程中，FW11.3基因转录表达的细胞特异性及其蛋白表达、定位情况；确定FW11.3蛋白参与果实细胞大小调控的分子生物学途径；并在蛋白水平分析FW11.3蛋白在该途径中所处的环节及其作用。研究结果将有助于阐明果实细胞大小调控的分子机理，同时为番茄遗传改良提供重要的基因资源。

fw11.3是一个控制番茄果实重量的主效位点，它通过增加细胞体积而增加果实重量。FW11.3编码一个功能未知基因。为了阐明FW11.3控制细胞大小的分子机理，我们进行了蛋白定位、转录组分析、代谢组分析、钙钾离子浓度分析、激素分析和酵母双杂交筛选等研究。研究结果表明FW11.3定位于细胞膜。转录组分析发现了一些差异表达基因和与FW11.3共表达的基因，其中一些差异表达基因与钙离子结合、转运相关，一些与ABA应答相关；一些与FW11.3共表达的基因可能参与了离子的结合、互作和转运等。代谢组分析发现了一些由FW11.3基因本身引起的差异代谢物质和一些在驯化改良过程搭“fw11.3”便车的代谢物质。钙钾离子浓度分析表明含fw11.3大果等位基因的株系果实中柱中钙离子浓度低于野生型，而钾钙离子浓度比率（K/Ca）均高于野生型。激素分析表明含fw11.3大果等位基因的株系果实中柱中ABA和GA1含量均高于野生型，果实果皮中GA1含量也高于野生型。构建了两套番茄果实中柱酵母双杂交文库：pGADT7核体系酵母双杂交文库和pPR3-N膜体系酵母双杂交文库。利用pGADT7核体系酵母双杂交文库，没有筛选到阳性克隆。利用pPR3-N膜体系酵母双杂交文库酵母文库筛选共得到53个阳性克隆。根据上述结果，初步推测FW11.3参与了钙钾离子和ABA、GA1等激素的转运调控，引起一些与离子浓度调节和激素应答调控的基因差异表达，导致一些代谢物质的变化，从而使番茄果实细胞体积发现变化。本项目研究结果为解释番茄果实细胞大小调控分子机理研究奠定了坚实的基础，同时为后续研究提供了重要的线索。本项目资助的文章已经投稿三篇，预计未来一年内发表。培养博士研究生一名，硕士研究生五名，其中一名博士研究生和三名硕士研究生已经毕业。