乙烯响应因子ERFs介导的黄瓜性型基因调控研究

As a result of its diversity in sex expression, cucumber (Cucumis sativus L.) is used as a model for research of sex determination. The regulatory mechanism of sex expression is an important problem of theoretical research and production application. The sex determination-related genes are strictly regulated, and interact with each other to produce the final sex phenotype. However, because major sex determination-related genes function in ethylene biosynthesis, direct interaction among encoding enzymes seems unlikely. Therefore, molecular mechanism of these gene regulation and interaction is a will-be-solved scientific problem. We previously suggested that ethylene is directly involved in these interaction. Here, we propose to analyze the ethylene responsive factors (ERFs) directly interacting with sex determination-related genes. In the previous studies of cucumber sex expression, our research group has identified two sex expression-related ERF genes, CsERF110 and CsERF113. In this project, focusing on these genes, we plan to conduct (1) ethylene response analysis of sex determination-related genes, CsERF110 and CsERF113; (2) ERF characteristic analysis; (3) sex expression-related transcriptional analysis of the ERFs; (4) directly interacting analysis between the two ERFs, and between the ERFs and sex determination-related genes; (5) comparative analysis of homologous genes in Cucumis species, etc. The purpose of this project is to integrate the existing interacting studies of sex determination-related genes, improve the molecular regulatory model, enrich the sex expression regulation methods, and guide the practice of cucumber breeding and production.

黄瓜植物性型分化多样，性型调控问题是理论研究和生产应用关注的重要内容。黄瓜性型基因存在严格的调控关系和明显的基因互作关系，然而这与黄瓜性型基因多为乙烯合成酶的生物化学特性存在矛盾，由此产生的黄瓜性型基因互作调控机制是需要研究解决的科学问题。课题组前期提出乙烯介导的基因调控分子模型，现拟通过分析直接作用于性型控制基因的乙烯响应因子（ERF）研究回答这一问题。我们初步鉴定了性型相关CsERF110和CsERF113基因，并计划围绕它们展开以下研究：黄瓜性型基因、CsERF110和CsERF113的乙烯响应分析，ERF功能鉴定，ERF表达特异性分析，ERF与黄瓜性型控制基因的互作分析，以及甜瓜属同源基因作用方式比较分析等。利用上述研究结果，我们尝试完善乙烯介导的黄瓜性型基因调控模式，整合现有性型控制基因互作方式，丰富黄瓜植物性别表型的调控手段，为黄瓜育种生产工作积累理论知识。

性型分化是黄瓜重要的生物学现象，与产业密切相关。本研究聚焦乙烯调控的黄瓜性型分化过程，发掘重要的乙烯响应因子和调控基因，修订黄瓜性别决定分子模型。取得的具体研究成果如下：（1）鉴定黄瓜性型变异材料，验证“雌性丢失”事件，完成基因组重测序比对，获得6个强雄性自然突变体；（2）通过强雄性突变体转录组分析，发掘乙烯响应因子基因CsERF110、CsERF113、CsERF1b、CsERF1b-like；（3）发现乙烯利处理可以诱导性型控制基因CsACS1、CsACS2、CsACS11，以及上述4个ERF基因上调表达；（4）完成4个ERF基因基础生物学分析，明确其编码产物均具有典型的乙烯响应因子特征；（5）完成4个ERF基因的表达分析，发现其表达均具有黄瓜雌性特异性，发现CsERF110、CsERF113表达具有雌、雄蕊原基特异性；（6）完成4个ERF基因的拟南芥过表达分析，发现其均能产生乙烯“三重反应”，发现CsERF110通过诱导拟南芥乙烯合成基因表达促进内源乙烯的合成；（7）发现CsERF110与CsERF113存在蛋白水平互作，同时CsERF113可以直接激活CsERF110启动子活性；（8）完成黄瓜乙烯响应因子与性型控制基因的互作研究，发现：a. CsERF110可以直接激活CsACS11启动子活性；b. CsERF113可以直接激活CsACS11启动子活性，而CsERF110与CsERF113互作增强对于CsACS11启动子的诱导活性；c. CsERF1b-like直接抑制CsWIP1启动子活性；d. CsERF110直接抑制CsAP3启动子活性；e. CsERF1b直接抑制CsPI启动子活性；f. CsERF1b直接激活CsERF110启动子活性；（9）全面分析葫芦科植物现有性型研究进展，构建了以乙烯为核心媒介物的性型基因互作控制黄瓜性别表型的分子模型。