隨著我國黃瓜新品種的持續(xù)研發(fā)， 對其果實 外觀的商品品質(zhì)性狀的選育 愈發(fā) 受到重視 。 其中 ， 果霜 即 是影響 黃瓜 新品種推廣應用潛力 的關(guān)鍵 性狀 之一 。

果霜（ fruit bloom ）是指分布于黃瓜果實外表皮處球狀四分體結(jié)構(gòu) 及其周圍散落物質(zhì) ，因視覺上呈灰白色、霜狀而得名（劉興旺， 2017 ，園藝學報） 。目前，我國 生產(chǎn)上 占絕對主導地位的華北型黃瓜品種，盡管不同品種間其刺瘤的大小和疏密程度、果實長短等有所不同，但生產(chǎn)上推廣應用的黃瓜品種 普遍要求 果實表皮果霜少、光澤度好。 生產(chǎn)上 ， 盡管可以 利用脫果霜 南瓜砧木（南瓜硅吸收蛋白功能喪失）嫁接 減少黃瓜果霜的產(chǎn)生 ，但這種方法耗時耗力 ，且并非適用于所有地區(qū)的黃瓜生產(chǎn) 。因此，挖掘無果霜黃瓜 種質(zhì)資源并解析其調(diào)控機制 對以 果霜 為目標 性狀 的黃瓜 分子 育種具有重要意義。

關(guān)于黃瓜果霜的研究始于二十世紀九十年代，但由于 該 性狀 田間 調(diào)查 統(tǒng)計 困難、 受環(huán)境影響大等原因?qū)е缕?主 效 基因 挖掘進展緩慢。同時， 關(guān)于果 霜形成 的生理生化機制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 也 缺乏系統(tǒng)性的研究 。 近年來，隨著黃瓜表皮毛發(fā)育 機制 的系統(tǒng)性研究 的 深入， 發(fā)現(xiàn) 腺體表皮毛 及 散落 其 周邊的碎片共同組成了果霜，但其與果 霜形成 的直接分子關(guān)聯(lián) 性 尚 不明晰 。

近日 ， 中國農(nóng)業(yè)大學任華中/劉興旺課題組 在The Plant Cell在線發(fā)表了 題為 “A molecular module controlling silicon efflux from glandular trichomes is required for fruit bloom formation in cucumber” 的研究論文。該研究 通過正向遺傳 方法 明確了 黃瓜果 霜形成 的關(guān)鍵基因CsLsi2（ 編碼硅外排專運蛋白 ） ，解析了其生物學功能與分子機制， 并闡釋了 在 黃瓜果 霜形成 中硅 的 沉積與腺體表皮毛發(fā)育之間聯(lián)系， 該結(jié)果 為 以果霜為目標 性 狀的 黃瓜品質(zhì)提 升提供了重要理論支持。

該研究首先利用有 、 無果霜的近等基因 系材料 3548-1和3549-1進行基因定位，結(jié)合BSA-seq和 轉(zhuǎn)錄組 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，候選區(qū)段中無果霜黃瓜材料3548-1的 CsLsi2 基因（編碼硅外排轉(zhuǎn)運蛋白）第一個外顯子存在單堿基突變。該突變導致蛋白翻譯提前終止并喪失硅外排轉(zhuǎn)運活性，表明 CsLsi2 可能是控制無果霜表型的候選基因。 進一步 通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)敲除 CsLsi2 基因，獲得 了 穩(wěn)定遺傳突變體 cslsi2 CR1 和 cslsi2 CR2 ，該突變體株系表現(xiàn)為無果霜表型且果實 表面無硅累積 ，證實 CsLsi2 在黃瓜果 霜形 成 過程中發(fā)揮 著 關(guān)鍵作用。

圖1 CsLsi2功能解析

為解析 CsLsi2 參與黃瓜果 霜形成 的分子機制， 該團隊 利用 CsLsi2 啟動子序列進行文庫篩選，鑒定出R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子CsRAX3可能作為 CsLsi2 的上游調(diào)控因子。結(jié)果表明，CsRAX3能夠在腺體表皮毛中直 接結(jié)合 CsLsi2 啟動子并激活其表達，從而促進黃瓜果霜形成。腺體表皮毛形態(tài)發(fā)育受阻突變體 cstbh 也表現(xiàn)為無果霜表型。進一步研究發(fā)現(xiàn)， cstbh 突變體中 CsRAX3 和 CsLsi2 的 表達水 平均顯著下降。生化 試驗 證實， CsTBH 能夠 通過 促進 CsRAX3 表達間接 調(diào)控 CsLsi 2 或者直 接 結(jié)合 CsLsi2 啟動子促進其表達 以 參與黃瓜果霜 的 形成。值得注 意的是，雖然 CsTBH 和CsRAX3同為 CsLsi2 的上游調(diào)控因子，但二者在蛋白水平上不存在相互作用。

圖2 CsTBH通過CsRAX3參與果霜形成

已有研究表明，腺體表皮毛中 脖頸 功能 的 缺失 一定程度上 影響黃瓜果霜的形成。本研究發(fā)現(xiàn)， cstbh 和 csrax3 突變體的腺體表皮毛中 脖頸 功能喪失，而 cslsi2 突變體的腺毛 脖頸 功能仍保持完整。這一結(jié)果表明， CsLsi2 介 導的無果霜表型并非由腺毛 脖頸 功能缺失所致，同時進一步證實腺毛的形態(tài)建成及功能完整性是果 霜形成 的先決條件。

圖3 CsTBH-CsRAX3-CsLsi2模塊調(diào)控黃瓜果霜形成

綜上，該 研究系統(tǒng)闡明了黃瓜果 霜形成 需要腺體表皮毛的形態(tài)建成和功能發(fā)育這兩個不可或缺且連續(xù)的生物學過程。 研究 通過遺傳學和分子生物學 全方位 分析，明確了果 霜形成 的分子機制：CsTBH調(diào)控的完整腺毛形態(tài)建成和CsRAX3調(diào)控的腺毛功能性區(qū)室化是果霜形成的前提條件，而腺體表皮毛中CsLsi2介導的硅沉積則是果霜形成的直接原因。該研究首次建立了果霜性狀發(fā)生與腺體表皮毛發(fā)育之間的直接分子聯(lián)系，為黃瓜品質(zhì)改良提供了重要的理論基礎(chǔ)。

中國農(nóng)業(yè)大學為該論文第一作者和第一通訊作者單位，中國農(nóng)業(yè)大學張亞琦博士后 和孫蕾博士后 為該論文共同第一作者，中國農(nóng)業(yè)大學園藝學院任華中教授 和劉興旺副 教授為該論文的共同通訊作者 ， 美國威斯康辛大學翁益群教授 和 中國農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程 學院 朱鴻亮 教授 在研究思路上 提供了指導。該研究得到國家自然 科學基金項目、中國博士后科學基金項目以及中國農(nóng)業(yè)大學 2115人才培育發(fā)展支持工程的資助支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf175

團隊介紹： 任華中 / 劉興旺課題組長期從事黃瓜遺傳改良與分子調(diào)控研究，取得了一系列重要研究進展，已在 T he Plant Cell 、 Plant Biotechnology Journal 、 Journal of Advanced Research 、 New Phytologist 、 Plant Physiology 、 Plant Journal 、 Horticulture Research 等國際主流學術(shù)期刊發(fā)表論文 60 余篇。