《Science》ARF3介導的生長素信號對黃瓜性別決定至關重要

該研究揭開了生長素促進雌花產(chǎn)生的神秘機制，鑒定到關鍵調控因子CsARF3（Auxin?Response?Factor?3），并闡釋了生長素和乙烯在性別決定上的互惠關系，為植物性別決定的調控網(wǎng)絡提供了全新的認識。百邁客生物為該研究提供了轉錄組測序及分析服務！

研究背景

古人識草木，多辨“花葉果”之形，卻少知其“性別”之異。

被子植物的性別決定，不僅是進化成功的重要標志，更是解鎖農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、推動雜交制種的關鍵密碼。植物性別并非僅由染色體決定，還受基因調控、激素水平、環(huán)境信號（溫度、光照、養(yǎng)分）的調控，其復雜性遠超動物。

葫蘆科作物性型表現(xiàn)豐富，已逐漸成為研究性別決定的典型模式植物。葫蘆科作物的花在早期發(fā)育階段是兩性的，隨著心皮原基或雄蕊原基的發(fā)育停滯產(chǎn)生單性花?！吧L素促進雌花產(chǎn)生”這一現(xiàn)象自上世紀50年代被植物學家觀察到以來，一直是植物生理學領域的“未解之謎”，且生長素與乙烯是如何協(xié)同調控植物單性花發(fā)育的遺傳機制仍模糊不清。

研究內(nèi)容及結果

CsARF3是黃瓜雌花形成所必需的

該研究首先發(fā)現(xiàn)，外源施加生長素（IAA）可提高黃瓜雌雄花比例。在16個黃瓜ARF家族成員中，CsARF3在雌性系WI1983G的雌花芽中表達顯著高于其近等基因系WI1983GM（ACS1G突變，以雄花為主）的雄花芽，且在性別決定期（第6期之前）的表達更高（圖1A-G）。利用CRISPR/Cas9技術構建的Csarf3移碼突變體（Csarf3-1和Csarf3-2）僅產(chǎn)生雄花，而野生型（WT）為雌雄同株（圖1H,?I）。突變體部分雄花在心皮殘留部位出現(xiàn)花柱樣組織，其比例與野生型的雌花比例相似，暗示Csarf3突變導致雌花向雄花轉化（圖1J,?K）。相反，CsARF3過表達株系（CsARF3-OE）的雌花比例和復合雌性（每節(jié)多雌花）比例均顯著增加（圖1L,?M）。外源IAA處理無法恢復Csarf3突變體的雌花產(chǎn)生，表明CsARF3介導的生長素信號是黃瓜雌花形成不可或缺的環(huán)節(jié)。

圖1 CsARF3 促進黃瓜中的雌性化

CsARF3直接調控CsSTM和CsWIP1的表達

KNOX家族轉錄因子參與莖端分生組織（SAM）形成和心皮發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，Csarf3突變體異常心皮中多數(shù)KNOX?I類成員表達下調，其中CsSTM（SHOOT?MERISTEMLESS同源基因）下降最為顯著（圖2A）。CsSTM在雌花芽中表達高于雄花芽，在Csarf3突變體莖尖中表達降低，而在CsARF3-OE株系中上調（圖2B-D）。酵母單雜交、凝膠遷移實驗（EMSA）和染色質免疫沉淀（ChIP-qPCR）證實，CsARF3可直接結合CsSTM啟動子中的生長素響應元件（AuxREs），并激活其轉錄（圖2E-H,?I）。CsSTM在性別決定前特異性富集于雌花的心皮原基。敲除CsSTM導致雌花比例下降和首朵雌花出現(xiàn)延遲，而Csarf3?Csstm雙突變體的表型與Csstm單突變體相似，表明CsSTM位于CsARF3下游共同促進雌花形成（圖2J,?K）。

圖2 CsARF3 通過直接刺激黃瓜中的CsSTM表達來促進雌性化

另一方面，雌性抑制基因CsWIP1在Csarf3突變體中表達上調約3倍，在CsARF3-OE中下調（圖3A,?B）。CsARF3可直接結合CsWIP1啟動子上的AuxRE元件并抑制其轉錄（圖3C-F）。遺傳分析顯示，Csarf3?Cswip1雙突變體恢復了雌雄同株表型，產(chǎn)生雌花和兩性花，類似于Cswip1單突變體（僅雌花），證明CsARF3作用于CsWIP1上游抑制其功能以促進雌性發(fā)育（圖4A-D）。

圖3 CsARF3負向調控CsWIP1在心皮發(fā)育中的表達

CsARF3與乙烯生物合成基因的遺傳關系

乙烯生物合成基因ACS1G（F基因）是黃瓜雌性表型的關鍵因子。研究發(fā)現(xiàn)，外源乙烯利（ethephon）處理不能誘導Csarf3突變體產(chǎn)生雌花，而生長素處理卻能恢復乙烯生物合成突變體Csacs11和Csaco2（僅雄花）的雌花形成。將Csarf3突變引入攜帶ACS1G的雌性系中，發(fā)現(xiàn)CsARF3的缺失阻斷了ACS1G誘導的雌花發(fā)育（圖4E-H），表明乙烯需要通過生長素通路促進心皮發(fā)育。此外，黃瓜中ACS7同源基因CsACS2在Csarf3和Csstm突變體中表達顯著下調，在CsARF3-OE中上調（圖4I-K），說明生長素信號能促進乙烯生物合成，兩者在性別決定中形成互饋循環(huán)。

圖4 黃瓜中已知性別決定基因與CsARF3的遺傳關系

研究總結

該研究不僅破解了“生長素促進黃瓜雌花產(chǎn)生”之謎，極大豐富了被子植物單性花發(fā)育調控網(wǎng)絡，而且為理解激素信號如何調控植物器官發(fā)育提供了全新的視角，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物性別調控提供了精準的分子靶點。

以上內(nèi)容來源于中國農(nóng)業(yè)大學，侵刪