中国农业大学眭晓蕾课题组揭示糖代谢酶CsCWIN3介导黄瓜雌雄育性的重要功能

近日，中国农业大学园艺学院、设施蔬菜生长发育调控北京市重点实验室眭晓蕾教授课题组与天津科润黄瓜研究所、蔬菜生物育种全国重点实验室李加旺研究员团队合作在国际植物科学期刊Plant Physiology在上在线发表了题为Cell wall invertase 3 plays critical roles in providing sugars during pollination and fertilization in cucumber的研究论文，揭示了细胞壁酸性转化酶CsCWIN3介导黄瓜雌雄育性和种子形成的分子生理机制，为植物生殖发育调控网络解析和黄瓜分子设计育种提供了有价值的信息与见解。

黄瓜是典型的雌雄同株异花蔬菜作物，同时其具备单性结实的能力，是研究雌雄配子体发育以及合子发育的理想模式植物。而种子是高等植物繁衍后代的重要生殖器官，也是农作物的经济器官。黄瓜作为我国主栽的蔬菜作物之一，其种子市场需求量巨大且种子质量高低直接影响黄瓜生产效益。光合同化物（糖）经植株源器官韧皮部装载，以及果实、花粉、种子等库器官韧皮部卸载、代谢和分配是决定黄瓜正常生长发育的重要基础。糖代谢和糖转运的分子生理调控机制不仅是植物生物学领域的研究热点，在农业生产上也具有重要的应用价值。

课题组前期工作已明确，黄瓜蔗糖转运蛋白CsSUT1在雄花组织中高量表达，干扰其基因表达导致雄性不育的发生 （Sun et al., Plant Physiology, 2019） ；同时，我们也鉴定到一个黄瓜花粉（管）特异表达己糖转运蛋白CsHT1，干扰其基因表达显著影响授粉后花粉管在雌蕊传输组织中的伸长和后续的种子发育（Cheng et al., Plant Physiology, 2015）。但是，黄瓜雄性和雌性生殖组织发育过程中糖分如何被分解利用及其与糖转运蛋白协同作用的分子生理机制，尚未明确。

植物中转化酶催化蔗糖不可逆分解产生葡萄糖和果糖，在糖代谢中发挥重要作用。本研究结果表明，细胞壁酸性转化酶CsCWIN3在黄瓜雄花的花药绒毡层和花粉粒，及其雌花的柱头、花柱传输组织（transmitting tract, TT, 花粉管通道），以及子房胎座维管束（PlVB）和胚珠中高量表达。利用反向遗传学技术发现，干扰CsCWIN3基因表达后黄瓜花粉活性明显减弱，同时蔗糖转运蛋白CsSUT1的表达在转基因株系中显著下降（图1A）；另外，干扰CsCWIN3基因表达造成雌蕊柱头的乳突细胞发育异常，但是不影响单性结实的子房/果实的发育。野生型与CsCWIN3干扰株系不同自交和正反交实验结果表明，干扰CsCWIN3基因表达（无论父本或者母本）引起己糖转运蛋白CsHT1表达显著下调，花粉管在雌蕊花柱传输组织中伸长受阻，因此在花粉-雌蕊互作过程中糖分的代谢和供应可能受到了抑制（图1B, C, D），最终影响胚珠发育与种子形成（图1E）。

综上研究结果表明，细胞壁酸性转化酶CsCWIN3可与蔗糖转运蛋白CsSUT1相互协调，参与调控黄瓜花粉的发育；同时CsCWIN3可将授粉后萌发花粉内或者雌蕊花柱传输组织中的蔗糖分解为己糖，并与己糖转运蛋白CsHT1共同作用，供给花粉管伸长所需营养，促进花粉管向子房内胚珠延伸。另外，种子中CsCWIN3还可以与黄瓜子房/果实中棉子糖系列寡糖（Raffinose Family Oligosaccharides, RFOs, 主要包括四糖水苏糖和三糖棉子糖）分解代谢关键酶CsAGA2（Liu et al., Plant Physiology, 2022, 课题组前期工作）相互配合，促进经源端韧皮部装载和长距离韧皮部运输至种子库端的RFOs分解为己糖，（并由尚未鉴定获知的糖转运蛋白以质外体途径介导库端韧皮部卸载，）从而为种子发育提供充足营养（图1）。

图1 黄瓜细胞壁酸性转化酶CsCWIN3介导雌雄配子体发育和种子形成的推定工作模式

综上所述，该研究揭示了糖代谢酶CsCWIN3与糖转运蛋白协同作用介导黄瓜雌雄育性和授粉后种子形成的分子生理机制，丰富了植物生殖发育调控网络认知体系，并为黄瓜种质创新提供了重要基因资源与理论基础。

中国农业大学园艺学院已毕业博士生刘欢、姚学辉、范敬伟为本文第一作者，中国农业大学园艺学院眭晓蕾教授和天津科润黄瓜研究所李加旺研究员为本文通讯作者。天津科润黄瓜研究所张利东副研究员和黄洪宇副研究员参与了该项研究。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、国家大宗蔬菜产业技术体系、教育部111引智计划等项目的资助与支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae119