全雌性黄瓜“雌性丢失”现象分子机理分析与遗传效应研究

Cucumber (Cucumis sativus L.) is a model for the research of sex determination in plants. Gynoecious is an advantage trait in cucumber breeding, and “gynoecy-loss” is a common problem in gynoecious cucumber production. The molecular mechanism is still a will-be-solved scientific problem. In the previous studies of cucumber sex expression, our research group has re-discovered 3 “gynoecy-loss” plants with American-type gynoecious Gy14 cultivar, and confirmed that there is a tandem repeat sequence around the gynoecious-controlled F gene. This structure implicates that an event of unequal crossing over might happen, which produces the missing of F gene, and leads to “gynoecy-loss”. To verify this hypothesis and study the genetic effect of “gynoecy-loss”, we propose this research project. In this proposal, using the “gynoecy-loss” plants, after resolving the detail genomic structure and sequence around the F gene, identifying the putative unequal crossing over in meiosis stage, analyzing the evolutional conservation around the F genomic region, studying the expression changes of sex-related genes and transcriptome, and testing with genetic transformation, we would like to clarify the molecular mechanism in “gynoecy-loss”. The results of this study can used to reveal the mechanism of the gynoecious-controlled F gene, explain the natural phenomenon in cucumber breeding, and guide the practice of cucumber production.

黄瓜是研究植物性别决定的模式，植株全雌性是黄瓜育种生产中的优势性状，“雌性丢失”是全雌性黄瓜生产中的常发现象，这一现象的分子机制是有待解决的科学问题。本课题组前期研究利用北美型全雌系Gy14材料再现了3个“雌性丢失”个体，通过分析发现全雌性控制F基因区段存在串联重复结构，该序列结构暗示可能发生不等交换事件，导致全雌性控制基因的丢失，进而产生“雌性丢失”现象。为了证实上述分子机制假说，并充分发掘“雌性丢失”现象的遗传效应，本研究拟利用这些新创制的材料，通过全雌性控制基因详细基因组结构分析；减数分裂期不等交换遗传事件验证；基因组区段进化保守性分析；黄瓜性别相关基因和整体水平基因表达变化分析；以及遗传转化互补研究，全面分析全雌性黄瓜“雌性丢失”现象的分子机制和遗传效应。本项目的研究结果，有助于深入揭示黄瓜全雌性控制基因的作用方式，有助于解释黄瓜育种中的自然现象，有助于指导黄瓜作物生产实践。

全雌性是黄瓜重要的育种性状，其形成机制是黄瓜生物学的重要问题。本项目围绕黄瓜全雌性F基因的结构特点和拷贝数变异现象开展了系统工作，获得了以下9项研究结果：（1）完成黄瓜全雌性候选基因组区段的重新注释，修正了早期版本基因组数据中对于F基因核心区段的注释错误。（2）完成Gy14黄瓜“雌性丢失”材料的基因组重测序，证实所有材料具有一致的基因组背景；发现“雌性丢失”事件仅引发基因组大片段的结构变异，导致核心30kb基因组区段的整体“丢失”，但并不引入核苷酸突变。（3）完成F基因区段拷贝数鉴定体系优化，确定了5个DNA含量检测位点，优化了对应的qPCR反应体系，验证了该检测体系能够准确区分F基因不同的拷贝数变异。（4）完成欧洲型全雌系材料G06“雌性丢失”现象发掘与鉴定，创制并鉴定了3个新的“雌性丢失”株系，证实黄瓜“雌性丢失”现象发生的概率不低于0.11%。（5）完成“雌性获得”材料AM297基因型和表型关系鉴定，AM297单倍体基因组中存在2拷贝串联重复的F基因。（6）完成F基因组序列的进化分析，证实供试黄瓜全雌性控制基因的起源相同，出现的时间较晚。（7）完成F基因拷贝数变化的遗传效应分析，明确多拷贝F基因对于雌花推迟开放的影响具有基因型差异性；排除了F基因核心区中MYB基因的性型相关性；证实F基因突变个体的乙烯释放速率下降。（8）实现对黄瓜“雌性丢失”现象的应用，完成“雌性丢失”材料花芽转录组测序，鉴定了雌性相关的乙烯响应因子。完成了其中CsERF110的功能研究，证实其响应乙烯信号，具有性型表达特异性；证实其通过转录激活CsACS11基因，参与黄瓜雌性性状的形成。（9）完成基于不等交换的黄瓜F基因不稳定性分子机制模型构建。全面分析葫芦科植物现有性型研究进展，构建以乙烯为核心媒介物的性型基因互作控制黄瓜性别决定的分子模型。