弱光影响西瓜果实膨大的机理

Watermelon fruit enlargement is affected by weak light seriously, leading to the problem of low efficiency in watermelon facilities cultivation production. In view of this problem, small and medium-sized fruit are used as test material in the project, normal illumination is recruited as control to study the mechanism of watermelon fruit enlargement in response to weak light. First of all, we will research the dynamic changes of fruit development, cell division, endoreduplication, cell enlargement, endogenous hormones contents, sugar contents, and analyze the effect of weak light on these processes. Secondly, the effect of the expansion protein and xyloglucan endotransglycosylase/ hydrolase gene on watermelon fruit development under weak light will be studied detailedly. At the same time, the transcriptome of the watermelon fruit at different development stages under weak light is analyzed using RNA-seq technology. Differential expression genes among different development stages and between weak light and the normal illumination are defined. And a part of differential expression genes are verified through the method of fluorescence quantitative PCR. Meanwhile, gene annotation, GO classification, KEGG metabolic pathway, etc. are studied. Finally, key genes and metabolic pathways that control cell enlargement of early fruit development and the molecular mechanism of weak light regulation the watermelon fruit cell enlargement are explored. The study provides an important theoretical basis for the regulation of watermelon fruit size and fruit development.

项目针对设施西瓜栽培中弱光严重影响西瓜果实膨大，导致生产效益下降的问题，以中小果型西瓜为试材，以正常光照为对照，研究弱光影响西瓜果实膨大的机理。首先从果实发育、细胞分裂、核内复制、细胞膨大、内源激素、糖酸比等时空变化入手，分析这些过程调控果实膨大及对弱光响应的机理。接着对扩张蛋白和木葡聚糖内糖基转移/水解酶基因在西瓜果实发育中的作用及弱光对其的影响进行详细研究。同时运用RNA-seq技术对西瓜果实发育不同阶段及弱光影响西瓜不同生长阶段果实发育转录组进行分析，明确西瓜果实不同发育阶段及西瓜果实在弱光与正常光照条件下的差异表达基因，并利用荧光定量PCR方法对部分差异基因进行验证分析。同时进行基因注释、GO分类、KEGG代谢通路等生物信息学分析。最终明确西瓜果实发育早期控制细胞膨大的关键基因与代谢途径，及弱光影响西瓜果实细胞膨大的分子机制，为生产中调控西瓜果实大小及发育提供重要理论依据。

西瓜为喜光作物，因此早春和秋季设施栽培中经常遭遇弱光胁迫，导致果实生长发育遭受严重影响，尤其是弱光下西瓜果实难以膨大，严重影响西瓜果实产量和品质，进而影响了农民的收入。弱光已经成为早春和秋季西瓜设施栽培能否成功的重要环境因素，本项目针对这个问题，首先对弱光胁迫下西瓜果实和植株的生长发育形态进行了研究，并通过研究结果明确了弱光影响西瓜果实膨大的关键时期。接着，本项目通过石蜡切片技术和流式细胞仪技术从细胞学角度研究了弱光影响西瓜果实膨大的机理，明确了弱光通过影响西瓜果实细胞的大小和数目及细胞核内复制进而影响了西瓜果实膨大。然后，分析了弱光影响西瓜果实的品质及激素含量的影响，表明弱光可以通过影响西瓜果实糖分组成及含量和调节不同种类激素含量及组成来调节果实膨大和发育。接下来，通过RNA-seq技术项目分析比较了弱光胁迫和对照下西瓜果实早期发育过程中的转录组，分析并鉴定到8837个差异基因及55个在4个不同的早期发育阶段共有的关键差异基因，明确了弱光影响果实膨大的差异基因的功能主要集中在氧化还原、次生代谢及碳代谢和氨基酸代谢，而且转录调控在弱光影响西瓜果实膨大的过程中也发挥了重要的作用，其中以bHLH, ERF, NAC 和 WRKY类转录因子尤为重要。最后，从前期转录组数据分析及前人研究结果综合考虑，选取了与细胞膨大和逆境响应相关的expansin基因进行下一步的分析。在西瓜全基因组共鉴定了30个西瓜expansin基因，分析了西瓜expansin基因的结构和进化关系，鉴定了启动子区域的顺势作用原件，并分析了弱光下西瓜expansin基因家族在西瓜果实中的表达谱，结果表明部分expansin基因与弱光影响西瓜果实膨大高度相关，具体的还需要进行下一步的研究验证。该项目的研究成果将为生产中调控西瓜果实大小及发育提供重要理论依据，同时也为冬春季节西瓜设施栽培提供重要的栽培技术调控手段依据。