CsSEP调控黄瓜果实发育的作用和机制研究

Cucumber is the most important vegetable for production in greenhouse in China. Cucumber fruits develop at a very high speed, thus it can be a good system for studying fast development of fruits. At present, the physiological and cell biological bases of cucumber fruit development have been widely investigated, and genes involoved in the process have been identified. However, the key genetic factor and its mechanism regulating fruit development are still largely unkown. SEPALLATA (SEP) encodes MADS-box transcription factors. Previously we observed that a mutation in CsSEP resulted in the cessation of fruit development at an early stage, but the molecular mechanism of CsSEP regulating fruit development remains elusive. In this project, we will investigate the expression pattern and hormone responses of CsSEP, and further identify the interaction proteins and downstream target genes to reveal the regulating network. The expected results will elucidate the function and mechanisms of CsSEP regulating fruit development, and provide a basis for developing elite cucumber varieties.

黄瓜是我国第一大设施蔬菜作物，其果实膨大速度快，是研究果实早期快速发育的重要材料。黄瓜果实发育的生理过程和细胞学机理已比较清楚，参与的基因也有初步探索，但对调控果实发育的关键基因和调控机理仍知之甚少。SEPALLATA（SEP）基因编码一个MADS-box转录因子。我们前期研究发现，黄瓜中的CsSEP突变会造成果实早期停滞发育，但其调控果实发育的具体作用和机理尚不清楚。本项目拟利用CsSEP突变体，从黄瓜遗传转化、基因表达时空特征、激素响应和调控、基因调控网络、蛋白互作和下游靶基因的筛选和验证等角度，深入研究CsSEP调控黄瓜果实发育的生物学功能和分子调控机理，为培育优良的黄瓜品种提供理论依据。

黄瓜是研究果实早期快速发育的重要材料。然而，调控果实发育的基因和分子机制仍知之甚少，限制了黄瓜分子标记辅助选择育种和分子设计育种的应用。前期通过筛选黄瓜突变体库，找到了一个果实发育异常的突变体。在该突变体中，MADS-box转录因子SEPALLATA2 (SEP2) 的第6个外显子完全缺失，造成CsSEP2丧失了转录活性。本课题旨在探究CsSEP2调控黄瓜果实发育的分子机制。转录组测序表明，CsSEP2在头部胎座、头部果皮、中部胎座、中部果皮、瓜把均有较高的表达量。亚细胞定位结果表明，CsSEP2-GFP融合蛋白在黄瓜原生质体的的细胞核中有荧光信号。原位杂交结果表明，CsSEP2在未分化的花芽原基、雌蕊、雄蕊、萼片、胎座及胚珠中均有表达。对CsSEP2突变体进行了详细的表型观察，有如下表型：（1）花柄/果柄延长； （2）萼片变大、长于花瓣并且外观趋近于营养叶；（3）花瓣多见褶皱；（4）在雄花中，可见雄蕊伸长（花粉可育），并可见肿大的不育的柱头，蕾期和开花期延长；（5）雌蕊畸形，蕾期和开花期延长；（6）果实变短，发育缓慢，常见滞育，表皮果瘤消失并常见浅裂，偶见自中轴至外表皮的深裂，导致整个果实外翻；（7）胎座异常且含水量上升。利用CRISPR-cas9敲除了CsSEP2，获得了缺失5bp移码突变的基因敲除植株，该植株的表型与突变体的类似，但表型弱于突变体。对开花0天的突变体果实和野生型果实进行了转录组分析，但是没有找到合适的上下游基因。由于突变体有果裂表型，所以利用酵母双杂交验证了CsSEP2与果裂基因CsSHP的互作关系，CsSEP2与CsSHP可以互作。结合文献报道，提出了CsSEP2调控果实发育的可能机制，（1）影响了雌蕊的发育，进而影响了果实的发育；（2）CsFUL调控黄瓜果实长短，CsFUL与CsSUP直接互作，CsSUP调控细胞的分裂和伸长，因此，CsFUL可能是通过CsSUP调控果实长度，但同时CsFUL也与CsSEP2互作。在果实发育过程中，由于CsSEP2的功能丧失，影响了CsFUL调控果实的发育，导致果实变短。（3）在果实发育过程中，由于CsSEP2的功能丧失，影响了CsSHP调控果实开裂，导致果实开裂表型。