Plant Physiol | 中国农业大学李欣/田永强团队揭示CsANT1调控黄瓜叶片形态发育新机制

叶片形态是决定作物株型结构、冠层光合效率、栽培适应性以及品质与产量的重要农艺性状。葫芦科植物的叶片形态具有显著的物种特异性和多样性，例如西瓜的掌状深裂叶、南瓜的掌状全缘叶。黄瓜作为重要的经济作物，生长中后期宽大的叶片易造成田间郁闭、降低光合效率，同时还易诱发病虫害。因此改良叶形、创制理想株型，对黄瓜育种及轻简化高效栽培具备重要的理论意义与应用价值。然而，黄瓜叶缘形态和叶片大小发育的分子机制尚不明确，成为制约黄瓜株型分子设计育种的关键瓶颈。

近日，中国农业大学园艺学院李欣/田永强团队在Plant Physiology发表题为The CsANT1-CsCUC2/CsCYCD3;1 regulatory module coordinates leaf margin development and cell proliferation in cucumber的论文，揭示了黄瓜中转录因子CsANT1协同调控叶片边缘发育与细胞增殖的全新分子机制，阐明了CsANT1‑CsCUC2/CsCYCD3;1核心调控模块，为黄瓜叶形改良、紧凑株型培育及轻简化管理新品种选育提供了关键理论基础与基因资源。

该研究利用两个不同遗传背景的自然突变体jtll和10yjy进行遗传定位。两个突变体均表现为叶面积减小、叶缘深裂的表型，呈现出类似“枫叶”的独特形态且株型更加紧凑。细胞学观察证实，突变体小叶表型的核心成因是细胞数量减少，而非细胞体积变化。通过BSA-seq和KASP精细定位，两个突变位点均被定位到同一候选基因CsANT1，表明CsANT1是调控黄瓜叶缘形态和叶片大小的关键基因。

通过转录组测序，发现突变体下调基因集中在生长素代谢相关通路的变化。激素含量测定表明突变体叶片生长素含量降低且叶缘生长素分布紊乱；用抑制剂NPA处理可修复深裂叶表型，施加外源IAA仅增大叶面积、不改变叶缘。说明生长素稳态与极性运输是黄瓜深裂叶形成的关键。

进一步研究发现，作为叶片发育的“中央调控因子”，CsANT1通过两条独立且协同的通路，分别掌控黄瓜叶缘形态建成与叶片生长膨大，完美实现叶形的精准调控。

通路一：抑制CsCUC2，调控叶缘生长素分布

CsCUC2 是调控叶缘形态的经典边界基因，能够介导叶缘生长素的极性分布。试验证实，CsANT1可直接结合CsCUC2启动子并抑制其转录。CsANT1功能缺失会造成 CsCUC2过量表达，打乱叶缘生长素的平衡分布，产生深裂叶片。在突变体中沉默 CsCUC2，可明显减轻叶片裂刻，恢复叶缘平滑。

通路二：激活CsCYCD3;1，驱动叶片细胞增殖

叶片大小的核心决定因素是细胞增殖效率。研究发现，CsANT1可直接激活细胞周期核心基因CsCYCD3;1的表达，促进叶片分生组织细胞分裂，保证叶片正常膨大。沉默CsCYCD3;1后，黄瓜叶片细胞数量减少、叶面积变小，但叶缘形态不受影响，清晰证实该通路专门调控叶片大小，和叶缘发育通路相互独立。

据此，团队提出双重调控模型：在黄瓜叶片发育中，CsANT1如同 “中央指挥官”，一方面抑制CsCUC2，避免叶缘生长素异常聚集，维持叶缘平滑完整；另一方面激活 CsCYCD3;1，驱动细胞增殖，决定叶片大小。一旦CsANT1突变失活，CsCUC2异常表达扰乱生长素分布，形成“枫叶型”状深裂叶缘；同时CsCYCD3;1活性下降，细胞增殖受阻，叶片随之变小。

综上所述，该研究首次把叶缘生长素极性运输和叶片细胞增殖两大发育过程联系起来，打破了 ANT类转录因子仅调控器官大小的固有认知，丰富了植物叶形发育的分子理论。该突变体叶形似枫叶、株型紧凑，花果发育不受影响且叶片光合效率提高，具备极高的育种价值与市场应用前景。同时，CsANT1基因的系统解析为果菜类蔬菜理想株型创制、株型轻简高效管理技术的研发与示范提供了关键基因资源与理论依据。

中国农业大学园艺学院魏婧薇、徐硕为论文共同第一作者，李欣副教授、田永强教授为共同通讯作者。北京现代农夫种苗科技有限公司蔡洙湖先生和天津市黄瓜研究所黄洪宇副研究员参与了相关研究工作并提供重要支持，中国农业大学高丽红教授和多伦多大学Sonia Gazzarrini教授参与了研究指导工作。该研究得到国家重点研发计划、北京市现代农业产业技术体系创新团队、中国农业大学“2115”人才培育发展支持计划、“111计划”和中央高校基本科研业务费专项资金的资助与支持。衷心感谢中国农业大学张振贤教授为论文研究提供最初的研究思路；感谢中国农业大学林涛教授、马斯副教授对论文给予的帮助以及提出的建设性意见。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag673