Plant Physiol | 四川农大/新疆农科院联合揭示基因组结构变异调控黄瓜幼苗弱光徒长的分子机制

培育壮苗是黄瓜 (Cucumis sativus L.) 高产的关键，而苗期下胚轴长短是判断幼苗是否健壮的主要指标之一。黄瓜在育苗过程中，受高温弱光等环境影响, 下胚轴过度伸长，表现为徒长。徒长苗茎部细长，易倒伏，且不易成活，是规模化育苗和工厂化育苗的常见难题。因此，下胚轴伸长作为双子叶植物暗形态建成的主要生理特征，备受关注。

近日，由四川农大园艺学院赖云松教授和新疆农科院哈密瓜研究中心刘斌研究员组成的团队在国际学术期刊Plant Physiology在线发表了题为“A nanopore-based cucumber genome assembly reveals structural variations at two QTLs controlling hypocotyl elongation”的研究论文。该研究揭示了染色体结构变异调控黄瓜弱光下下胚轴伸长的分子机制。

该研究筛选到一个耐弱光的半野生黄瓜材料XIS49，进而结合比较基因组学、正向遗传学和分子生物学等方法，挖掘到两个控制下胚轴弱光伸长的基因：位于3号染色体的SH3.1和位于6号染色体的SH6.1。SH3.1编码一个光敏色素蛋白Phytochrome B （PhyB），SH6.1编码一个CCCH类型的锌指蛋白FRIGIDA-ESSENTIAL LIKE (FEL)。XIS49黄瓜的PhyB基因启动子区域相较9930出现约4kb 的高度多样化区域（Highly diversity region, HDR），导致XIS49的PhyB启动子比9930缺少大量光响应元件，可能引起XIS49对弱光不敏感。

另一方面， FEL蛋白能够与光形态建成核心调控因子COP1启动子上一段长约50bp的核心区域互作，调控COP1的表达，启动光形态建成，从而负调控下胚轴伸长。XIS49黄瓜的FEL具有正常抑制下胚轴伸长的功能；而黄瓜‘9930’的FEL基因由于第二个内含子被插入Gypsy-LTR转座子，导致异常转录和错误的开放阅读框，不能调控COP1表达。有意思的是，位点遗传多样性分析表明PhyB和FEL基因在不同黄瓜群体中受到了不同程度的选择。

这项研究提示双子叶植物在弱光下仍然存在“刹车机制”，缓解弱光下的下胚轴伸长。许多栽培黄瓜由于在驯化过程中丢失了该“刹车机制”，使得比其它双子叶植物更易发生苗期徒长。因此，这项研究对于通过遗传改良解决黄瓜弱光徒长具有重要意义。

该研究由四川农业大学园艺学院和新疆农科院哈密瓜研究中心等单位联合完成。第一作者刘斌，新疆农业科学院研究员，哈密瓜研究中心生物技术分中心主任，“中组部国家重大青年人才”项目获得者，研究方向为瓜类基因编辑和瓜类分子育种。通讯作者赖云松，四川农大园艺学院 “瓜果蔬菜团队”负责人，长期从事瓜类和茄果类的研究，研究方向包括黄瓜环境性别决定调控机制，黄瓜野生种质资源的挖掘和利用，辣椒高海拔种植适应性分子育种等。该项目受到国家自然科学基金项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae153