中国农业大学 | 园艺学院任华中、刘兴旺课题组破解黄瓜果霜形成之谜：CsLsi2 基因是关键

近日，The Plant Cell在线发表了由园艺学院任华中、刘兴旺课题组完成的研究论文A molecular module controlling silicon efflux from glandular trichomes is required for fruit bloom formation in cucumber。该研究通过正向遗传方法明确了黄瓜果霜形成的关键基因编码硅外排蛋白CsLsi2，解析了其生物学功能与分子机制，并阐释了在黄瓜果霜形成中硅的沉积与腺体表皮毛发育之间联系，该结果为以果霜为目标性状的黄瓜品质提升提供了重要理论支持。

随着我国黄瓜新品种的持续研发，对其果实外观的商品品质性状的选育愈发受到重视。其中，果霜即是影响黄瓜新品种推广应用潜力的关键性状之一。

果霜（fruit bloom）是指分布于黄瓜果实外表皮处球状四分体结构及其周围散落物质，因视觉上呈灰白色、霜状而得名（刘兴旺，2017，园艺学报）。目前，我国生产上占绝对主导地位的华北型黄瓜品种，尽管不同品种间其刺瘤的大小和疏密程度、果实长短等有所不同，但生产上推广应用的黄瓜品种普遍要求果实表皮果霜少、光泽度好。生产上，尽管可以利用脱果霜南瓜砧木（南瓜硅吸收蛋白功能丧失）嫁接减少黄瓜果霜的产生，但这种方法耗时耗力，且并非适用于所有地区的黄瓜生产。因此，挖掘无果霜黄瓜种质资源并解析其调控机制对以果霜为目标性状的黄瓜分子育种具有重要意义。

关于黄瓜果霜的研究始于二十世纪九十年代，但由于该性状田间调查统计困难、受环境影响大等原因导致其主效基因挖掘进展缓慢。同时，关于果霜形成的生理生化机制及其调控网络也缺乏系统性的研究。近年来，随着黄瓜表皮毛发育机制的系统性研究的深入，发现腺体表皮毛及散落其周边的碎片共同组成了果霜，但其与果霜形成的直接分子关联性尚不明晰。

该研究首先利用有、无果霜的近等基因系材料3548-1和3549-1进行基因定位，结合BSA-seq和转录组数据分析发现，候选区段中无果霜黄瓜材料3548-1的 CsLsi2 基因（编码硅外排转运蛋白）第一个外显子存在单碱基突变。该突变导致蛋白翻译提前终止并丧失硅外排转运活性，表明 CsLsi2 可能是控制无果霜表型的候选基因。进一步通过CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除 CsLsi2 基因，获得了稳定遗传突变体 cslsi2 ^CR1 和 cslsi2 ^CR2 ，该突变体株系表现为无果霜表型且果实表面无硅累积，证实 CsLsi2 在黄瓜果霜形成过程中发挥着关键作用。

CsLsi2功能解析

为解析 CsLsi2 参与黄瓜果霜形成的分子机制，该团队利用 CsLsi2 启动子序列进行文库筛选，鉴定出R2R3-MYB转录因子CsRAX3可能作为 CsLsi2 的上游调控因子。结果表明，CsRAX3能够在腺体表皮毛中直接结合 CsLsi2 启动子并激活其表达，从而促进黄瓜果霜形成。腺体表皮毛形态发育受阻突变体 cstbh 也表现为无果霜表型。进一步研究发现， cstbh 突变体中 CsRAX3 和 CsLsi2 的表达水平均显著下降。生化试验证实，CsTBH能够通过促进 CsRAX3 表达间接调控 CsLsi 2 或者直接结合 CsLsi2 启动子促进其表达以参与黄瓜果霜的形成。值得注意的是，虽然CsTBH和CsRAX3同为 CsLsi2 的上游调控因子，但二者在蛋白水平上不存在相互作用。

CsTBH通过CsRAX3参与果霜形成

已有研究表明，腺体表皮毛中脖颈功能的缺失一定程度上影响黄瓜果霜的形成。本研究发现， cstbh 和 csrax3 突变体的腺体表皮毛中脖颈功能丧失，而 cslsi2 突变体的腺毛脖颈功能仍保持完整。这一结果表明， CsLsi2 介导的无果霜表型并非由腺毛脖颈功能缺失所致，同时进一步证实腺毛的形态建成及功能完整性是果霜形成的先决条件。

CsTBH-CsRAX3-CsLsi2模块调控黄瓜果霜形成

综上，本研究系统阐明了黄瓜果霜形成需要腺体表皮毛的形态建成和功能发育这两个不可或缺且连续的生物学过程。研究通过遗传学和分子生物学全方位分析，明确了果霜形成的分子机制： CsTBH 调控的完整腺毛形态建成和 CsRAX3 调控的腺毛功能性区室化是果霜形成的前提条件，而腺体表皮毛中 CsLsi2 介导的硅沉积则是果霜形成的直接原因。该研究首次建立了果霜性状发生与腺体表皮毛发育之间的直接分子联系，为黄瓜品质改良提供了重要的理论基础。

中国农业大学为该论文第一作者和第一通讯作者单位，中国农业大学张亚琦博士后和孙蕾博士后为该论文共同第一作者，中国农业大学园艺学院任华中教授和刘兴旺副教授为该论文的共同通讯作者，美国威斯康辛大学翁益群教授和中国农业大学食品科学与工程学院朱鸿亮教授在研究思路上提供了指导。该研究得到国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目以及中国农业大学2115人才培育发展支持工程的资助支持。

任华中、刘兴旺课题组长期从事黄瓜遗传改良与分子调控研究，取得了一系列重要研究进展，已在Plant Cell、Plant Biotechnology Journal、Journal of Advanced Research、New Phytologist、Plant Physiology、Plant Journal、Horticulture Research 等国际主流学术期刊发表论文60余篇。