番茄FAF基因的图位克隆及其调控果实发育的机理研究

Tomato is an important vegetable crop and an excellent model for fruit developmental study. The appearance of tomato fruit including size and shape as well as smoothness is an important quality character. Due to genetic defects and suboptimal growth conditions, cracked and/or malformed tomato fruits are produced, causing yield and quality loss. In the past, great attention has been paid to dissection of the genetic and molecular basis underlying fruit size and shape in tomato. Little is known about the molecular mechanism underlying the regulation of fruit malformation. We identified a mutant from our EMS mutagenized tomato population, fasciated flower and fruit (faf), showing defective flower and fruit development. In this proposal, we plan to map-based clone the FAF gene and study its functions in fruit growth and development through multiple approaches, including phenotyping, histological analysis and gene expression. The results obtained from the project will further our understanding on the molecular mechanism underlying whereby FAF regulates fruit formation and provide strategies for improvement of tomato and other fruit-bearing crops.

重要蔬菜作物番茄是研究果实生长发育的模式植物，其果实的大小和形状等外观特征是重要的品质性状。在番茄果实形成和生长发育过程中，由于遗传或栽培等因素会产生裂果和畸形果，不仅影响其外观品质，也影响营养品质的形成。以往研究多关注果实大小和果型等并在分子基础上取得了较大进展，而畸形果形成的分子机理研究较少。本项目拟以EMS诱变筛选到的一个果实外观异常的faf突变体为研究材料，通过对FAF基因的图位克隆，并应用细胞学、遗传学、基因表达分析以及组学等方法手段，阐明FAF基因参与心皮发育的分子调控机理。研究结果将有助于完善果实形成的分子调控机理，并为番茄等作物的果实品质改良提供理论依据。

分生组织是植物各个器官的细胞来源，是决定叶片、分枝、花序、果实和种子等农作物产量和品质性状形成的基础。番茄作为重要的蔬菜作物之一，也是研究植物生长和果实发育的模式植物。在番茄生长发育过程中，WUS-CLV反馈环调控的分生组织大小和发育模式影响株型、花序数目和果实大小等。在课题组突变体库中筛选到一个分生组织异常的突变体，表现出花器官数目增多、果实缺陷的表型，前期鉴于花和果实的表型，暂命名为fasciated flower and fruit（faf），后期进一步发现其顶端分生组织（Shoot apical meristem，SAM）发育也异常，因此更名为dtm-1（defective tomato meristems 1）。通过精细定位和候选基因测序发现， DTM编码一个LITTLE ZIPPER蛋白家族成员。DTM可以与HD-ZIP III成员形成异源二聚体，影响下游基因的表达，突变的DTM则使该异源二聚体不能稳定形成，导致分生组织特征基因SlCLV3，SlWUS，SlSTM的表达量上升，从而引起分生组织发育缺陷。通过CRISPR-Cas9技术获得多个丧失功能的dtm和slrev突变体株系，表型分析表明这些突变体均表现出SAM发育缺陷。在slrev突变体中，DTM，SlCLV3和SlWUS的表达量下调。这些研究结果表明DTM/HD-ZIP III参与WUS-CLV3反馈调控环，在分生组织形成并中起着重要作用。这些研究结果有助于深入了解不同物种间在植物干细胞维持和分化调控机制上的异同，创新植物分生组织协调调控的认知，拓展番茄果实形成的分子调控机理，也为番茄等作物的果实产量和品质改良提供重要理论基础。