植物器官的生长和发育取决于生长刺激和抑制之间的微妙平衡。果实大小和形状是影响产量和商品价值的重要农艺性状。葫芦科是一个非常大的、多样化的植物家族，为人类提供许多重要的蔬菜和水果【1】。研究表明，葫芦科果实由下位子房发育而来，并因为极端多样的果实大小和形态而闻名 (从小到巨大，从扁圆到伸长)【2】。然而，调控果实生长平衡，实现最终果实大小和形态的分子机制仍不清楚。
2019年3月26，中国农业科学院蔬菜花卉研究所杨学勇等在The Plant Cell 在线发表了一篇题为Genetic Regulation of Ethylene Dosage for Cucumber Fruit Elongation 的研究论文，揭示了乙烯剂量依赖的黄瓜果实伸长的遗传和分子机制。
在这项研究中，研究人员以两个黄瓜短瓜材料（sf1突变体和acs2 突变体）为对象，研究了乙烯剂量精细调控黄瓜果实伸长的分子机制。sf1突变体表现为果实细胞分裂减弱并且产生过量乙烯；acs2 突变体表现为果实细胞分裂减弱但是产生的少量的乙烯。SF1 (Short Fruit 1) 编码一个E3泛素连接酶，该研究发现，SF1泛素化修饰并降解自身及其底物ACS2 (乙烯合成途径中的限速酶，1-Aminocyclopropane-1-carboxylate synthase 2)；SF1突变后， 导致ACS2积累，从而促进乙烯过量合成；研究进一步揭示了乙烯对黄瓜果实长度调控的剂量依赖性，过高或过低的乙烯剂量都会对黄瓜果实细胞分裂产生严重的抑制，而合适剂量的乙烯会促进细胞分裂，调控黄瓜果实伸长。因此，SF1通过泛素化降解其自身和ACS2实现对黄瓜果实中乙烯剂量的精细控制，从而调控黄瓜果实伸长。以上研究为理解葫芦科果实形态建成的遗传和分子基础提供了重要的见解。
黄瓜果实伸长表现出乙烯剂量依赖性
值得一提的是，该研究成果为通过外源处理或基因编辑技术生产不同长度的黄瓜提供了潜在的方法。由于不同的消费者群体对黄瓜果实大小的偏好不同，这项研究将有望为黄瓜果实大小的改良育种提供科学基础。
乙烯剂量调控黄瓜果实细胞分裂的遗传和分子机制
此外，不同乙烯剂量的响应如何在果实细胞分裂中发挥多重作用？虽然双相乙烯响应模型早已提出来，但该模型的机制仍然不清楚。黄瓜果实为解开双相乙烯响应模型的信号机制提供了重要的研究系统。
该论文的共同第一作者为中国农科院蔬菜花卉研究所、深圳农业基因组所和西北农林科技大学共同培养的研究生辛同旭和张震。通讯作者为中国农科院蔬菜花卉研究所功能基因课题组杨学勇副研究员。
参考文献
【1】Bisognin, D.A. (2002). Origin and evolution of cultivated cucurbits. Ciênc. Rural 32: 715-723.
【2】Colle, M., Weng, Y., Kang, Y., Ophir, R., Sherman, A., & Grumet, R.(2017). Variation in cucumber (Cucumis sativus L.) fruit size and shape results from multiple components acting pre-anthesis and post-pollination. Planta 246: 641-658.
http://www.plantcell.org/content/early/2019/03/26/tpc.18.00957
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