Plant Cell│中国农业大学眭晓蕾课题组揭示黄瓜种子发育糖营养填充“油门-刹车”分子调控机制

近日，中国农业大学眭晓蕾教授团队国际植物学期刊The Plant Cell在线发表了题为Raffinose family oligosaccharide hydrolysis by alkaline α-galactosidase CsAGA2 controls seed development in cucumber的研究论文，揭示了碱性α-半乳糖苷酶CsAGA2介导糖代谢协同调控黄瓜种子发育形成的分子生理机制，为黄瓜源库关系优化与分子育种提供了理论基础和基因资源。

植物种子由授粉受精后的胚珠发育而来，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，种子产量和质量直接影响农业生产效益。光合同化物（糖）在源库之间的长距离运输与分配效率对于作物产量形成和种子发育至关重要，是影响种子质量的关键因素。探寻影响种子发育的糖代谢基因并解析其调控网络，对于丰富植物生殖发育理论认知和农业生产实际应用均具有重要意义。黄瓜为典型的棉子糖系列寡糖（Raffinose Family Oligosaccharides, RFOs，主要是棉子糖和水苏糖）转运型植物，是理想的研究RFOs代谢和运输的模式植物。课题组前期多项工作已明确，在黄瓜果实和花等库器官发育及其源库关系调控中，催化RFOs分解的关键酶α-半乳糖苷酶（Liu et al., Plant Physiology, 2022），参与蔗糖分解代谢的转化酶和蔗糖合酶，参与质外体跨膜运输的糖转运蛋白等均发挥重要作用。另外，细胞壁酸性转化酶CsCWIN3同时影响黄瓜花粉和柱头发育及其授粉受精过程，从而介导黄瓜雌雄育性和种子形成（Liu et al., Plant Physiology, 2024）。然而，黄瓜中自源叶经韧皮部长距离运输至种子库器官的寡糖RFOs如何被卸载和分解代谢，继而影响和调控种子发育，尚未明确。

植物中碱性α-半乳糖苷酶不可逆催化寡糖RFOs分解产生蔗糖和半乳糖，在糖代谢中发挥重要作用。该研究发现，黄瓜α-半乳糖苷酶CsAGA2在向种子运输糖分的黄瓜子房胎座维管束（PlVB）和胚珠的珠柄维管束中强烈表达（图1）。利用反向遗传学技术，发现干扰CsAGA2基因影响果实内胚胎发育和种子糖营养填充，从而引起黄瓜种子干瘪甚至产生空种子（图1）。

图1 黄瓜CsAGA2、CsFUS3和CsARF9影响胚胎与种子发育

在种子发育前期（授粉后15-20天，15-20 DAP），转录因子CsFUSCA3（CsFUS3）可以直接结合并促进CsAGA2的表达，并且CsFUS3与蛋白激酶CsSnRK1α1的互作进一步加强CsAGA2的表达，干扰或者基于CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除CsFUS3均会引起黄瓜胚胎发育异常或者滞后，从而导致种子干瘪，揭示了CsSnRK1α1-CsFUS3-CsAGA2分子模块调控黄瓜种子发育的“油门”机制（switch ON）（图1，图2）。在种子发育中后期（20-35 DAP），转录因子生长素响应因子（Auxin Response Factor）CsARF9通过招募CsTPL (TOPLESS) 共抑制子，直接结合并进一步抑制CsAGA2的表达，逐渐终止糖向种子的运输及其过度积累；同时，过表达CsARF9转基因植株也出现黄瓜胚胎发育异常从而导致种子败育现象，表明了CsTPL-CsARF9-CsAGA2分子模块调控黄瓜种子发育的“刹车”机制（switch OFF）（图1，图2）。

以上研究结果表明，授粉受精后黄瓜种子发育不同阶段，通过CsSnRK1α1-CsFUS3-CsAGA2模块和CsTPL-CsARF9-CsAGA2模块协同形成种子糖营养填充“油门-刹车”分子调控机制，从而介导种子胚胎的正常起始与促进黄瓜种子发育形成（图2）。

图2 黄瓜CsAGA2介导糖代谢协同调控种子发育的“油门-刹车”机制

综上，该研究揭示了糖代谢酶CsAGA2协同调控黄瓜种子胚胎发育和糖营养填充的分子生理机制，为糖介导的黄瓜种子发育调控网络解析提供重要参考，促进对黄瓜种子发育性状机理的深入认知，同时为黄瓜分子育种改良以及种质创新提供理论依据和潜在育种资源。

中国农业大学为该论文第一完成单位和唯一通讯作者单位，中国农业大学园艺学院已毕业博士生刘欢和在读博士生史玉滋为该论文共同第一作者，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为该论文通讯作者。该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、中国农业大学2115人才培育发展支持计划等项目的资助与支持。

相关文献：

Liu, H., Liu, X., Zhao, Y., Nie, J., Yao, X., Lv, L., Yang, J., Ma, N., Guo, Y., Li, Y., Yang, X., Lin, T., and Sui, X. (2022). Alkaline alpha-galactosidase 2 (CsAGA2) plays a pivotal role in mediating source-sink communication in cucumber. Plant Physiol 189, 1501-1518.

Liu, H., Yao, X., Fan, J., Lv, L., Zhao, Y., Nie, J., Guo, Y., Zhang, L., Huang, H., Shi, Y., Zhang, Q., Li, J., and Sui, X. (2024). Cell wall invertase 3 plays critical roles in providing sugars during pollination and fertilization in cucumber. Plant Physiol 195, 1293-1311.

文章链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf061