黄瓜花芽性别分化的研究进展与展望

黄瓜花芽性别分化的研究进展与展望
张微;李锡香
【摘要】黄瓜的遗传背景狭窄而性型丰富，是研究植物性别分化的模式植物。

一直以来，从形态学到细胞学，从经典遗传学到分子生物学，研究者们对黄瓜的性别分化及其调控机理做了大量研究，揭示了其遗传基础以及以乙烯代谢途径为主线的分子调控机制，但尚不能完全诠释黄瓜性别分化以及性型多样性和多变性的成因。

近年来，基因组学、表观遗传学、miRNA 等方面研究不断发展和深入，为黄瓜性型分化研究提供了新的方向和技术，有望通过多个层面和角度的综合研究进一步解释黄瓜性别分化与多样性形成的机制，为调控黄瓜性别分化，实现高产稳产栽培和瓜类作物性型分子育种提供理论依据和技术支持。

%Although the genetic background of cucumber is narrow,its sex types are diverse and abundant. Therefore,cucumber is the model plant for sex differentiation study.From morphology to cytology and from classical genetics to molecular biology,researchers have done a lot of important researches on cucumber sex differentiation.It was revealed that the genetic basis of major sex types and the molecular regulation mechanism of ethylene metabolic pathway as main line.But the mechanism of sex differentiation of cucumber flowers and diversification of the sex types still couldn′t be completely elucidated.In recent years,the rapid development of genomics,epigenetics and miRNA provided new perspectives and technologies for deeply clarifying the mechanisms of sex differentiation.The further comprehensive analyses would provide theoretic and technical support for regulating sex
differentiation in cucumber cultivation of high and stable yield and the molecular breeding for sex type improvement of cucurbitaceae crops.
【期刊名称】《华北农学报》
【年(卷),期】2015(000)0z1
【总页数】7页(P74-80)
【关键词】黄瓜;性别分化;遗传基础;分子调控机制;表观遗传;miRNA
【作者】张微;李锡香
【作者单位】中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业部蔬菜作物基因资源与种质
创制北京科学观测实验站，北京 100081;中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业
部蔬菜作物基因资源与种质创制北京科学观测实验站，北京 100081
【正文语种】中文
【中图分类】S642.03
黄瓜(Cucumis sativus L.)是全球栽培最广的瓜果类蔬菜作物之一。

黄瓜通常以雌
雄异花同株为主,从幼苗期第2片叶就开始花芽分化,并决定雌花和雄花分化的方向。

在黄瓜自然群体中有8种性别类型[1],按照单个节位着生雌花数量的多少,黄瓜的性型还有复雌型和单雌型[2]。

作为研究植物性别决定的模式植物[3],前人就黄瓜性别分化的形态解剖及其遗传基础进行了很多研究,但是黄瓜遗传背景狭窄而性别类型
表达复杂多样[4],经典遗传学尚不能完全诠释有关科学问题。

随着基因组学、表观
遗传学等领域研究的逐渐深入,为黄瓜性型分化的模式和机制研究提供了新视角。

本研究就黄瓜花芽性别分化的形态学、细胞学、生理生化、遗传学、基因表达调控、环境影响研究及DNA甲基化和miRNA在性别分化中的潜在作用进行综合分析,以
期为今后黄瓜和相关作物的性别分化深入研究、栽培调控和性型分子育种提供参考。

一般认为雌雄同株植物花芽性别的原始类型是两性花,如玉米、黄瓜等多种植物都
存在两性花时期[5-8]。

在早期发育过程中,黄瓜花芽同时出现了雌蕊和雄蕊2种原基,即处于“两性花”时期,但是在两性期之后,雄花中的雌蕊器官或雌花中的雄蕊器官的发育发生停滞,最终形成单性的雄花或雌花[7]。

Bai等[7-8]对黄瓜花芽发育全过程进行了系统的形态学观察,发现在花芽发育第5期,所有花芽没有明显的形态学差别,但到了第6期,不同花芽中出现了雌雄蕊发育的形态学分化,一些花芽雄蕊的花药部分持续生长,但是这些花芽的心皮原基基部停止
伸长而形成雄花,而另一些花芽雄蕊花药部分停止生长,心皮持续生长发育成雌花。

李兴国等[9]发现雌花中的花药原基没有继续分化,而雄花中始终没有产生柱头、花
柱和子房,尽管最终没有发育成两性花,但雄花中的雌蕊细胞或雌花中的雄蕊细胞和
其中的某些细胞器仍在发育成熟,并没有出现在玉米中发生的未成熟雄蕊原基细胞
解体和细胞器丢失的现象[5-6]。

袁高峰等[10]发现黄瓜雄花中的心皮具有代谢活性,雌花的雄蕊虽然生长停滞但是
没有发生退化。

杨玲玲等[11] 对黄瓜雌、雄花芽的石蜡切片观察发现雌雄花发育
过程中心皮(柱头)原基的细胞数随发育进程而增加,虽然雄花中心皮的外形没有明显变化,但是心皮原基仍然在进行细胞分裂活动且具有代谢活力,二者的结论与Bai[7-8]、李兴国[9]等的结论略有不同。

综上所述,在黄瓜的两性花时期,花芽中的雌雄蕊原基同时存在,但在某个特定发育时期后,一些花芽的心皮原基细胞虽继续分裂且具有代谢活性,但心皮的外形没有明显
变化,未产生柱头、花柱和子房,随着雄蕊部分持续生长,最终形成雄花;一些花芽的雄蕊花药部分停止生长,花药原基未分化出小孢子母细胞,心皮原基基部持续伸长,花芽中心凹陷发育为下位子房,最终发育成雌花。

陈学好等[12]在对黄瓜雌、雄花的典型时期的发育研究发现,雄花发育略快于雌花,
生长素(IAA)和赤霉素(GA3)在雌花中的含量高于雄花。

辛海滨[13]将黄瓜植株进行低夜温处理后,对植株茎尖处的糖类物质和内源激素进行检测,发现黄瓜的雌花比例
随着内源乙烯含量、内源ABA、葡萄糖和蔗糖的水平的升高而增大。

应振土等[14]发现在不同黄瓜性别类型的品种中,品种的雌性越强,该品种植株的茎尖组织中乙烯
的释放量越多。

Peng等[15]发现在雄花发育过程中,ABA首先在整个花药室中积累,然后分布在初
生造孢细胞和初生周缘细胞所在的药室中央区域并最终消失。

在雌花中,从整个心
皮原基到胎座,尤其是在子房发育后期在靠近合点的珠心、维管组织和内外珠被表
皮等区域发现了ABA的倾向性积累,而这些区域便是为胚珠输送营养的途径。

ABA 在黄瓜雌雄性生殖器官的营养细胞中的高度特异性定位进一步暗示了ABA的定位和营养物质运输和分配的关联,与辛海滨[13]观点相同,认为ABA对黄瓜雌花发育有正调控作用。

目前,明确控制黄瓜性别分化的基因主要有F/f、M/m、A/a、In-f、Tr、gy等[16],其中对F/f基因和M/m基因研究较多,认为F/f基因和M/m基因是黄瓜花芽性别分化方向决定的关键性基因,对其他基因研究相对较少,被认为主要起背景修饰作用。

F/f 基因:F基因调控黄瓜的雌花分化,促使雌花的发生节位降低[17];娄群峰[18]研究表明,全雌性分化由一对显性核基因(F_)控制,当位点为纯合(FF)时,植株表现为稳定
的全雌性,但当位点为杂合(Ff)时,部分黄瓜类型植株在环境因素的影响下出现少量
雄花,认为黄瓜的全雌性主要受主效基因的调控,可能还受到一些受温光条件影响的
修饰基因调控。

普遍认为F基因的候选基因为Cs-ACS1G,其隐性等位基因f的候
选基因为Cs-ACS1,有研究表明，黄瓜雌雄同株(ff)是由单一位点的Cs-ACS1来控制,而纯雌性株(FF)是由同一位点的F等位基因Cs-ACS1G基因来控制[17,19]。

M/m基因:M 基因影响雌雄同株的性别表达,花单性为显性基因,隐性基因m影响
雄全株植株的性别表达,主要控制两性花的产生[20]。

刘世强[21]获得了与M紧密
连锁的分子标记。

M与F基因的互作:两基因之间相互作用,共同调控单性花或两性花的分化[20,22],若基因型为mmff,植株为雄全株;若基因型为M_ff,植株为雌雄同株;若基因型为
M_F_,植株为纯雌株;若基因型为mmF_,植株为两性花植株[17,21,23-24]。

时秋香[25]以雌性株(基因型为MMFF)和两性花株(基因型为mmFF)及其F1(MmFF)和BC1(M_FF或mmFF)为材料,发现雌性花由一对核基因(M_)控制,对两性花表现为显性。

厉建梅等[26] 通过分析不同季节6世代黄瓜雌性遗传规律,认为黄瓜雌花节率除了由基因的加性效应所控制外,还受到环境(季节)的影响。

A/a:Kubicki[27]认为A基因促进黄瓜植株的雄性加强,具有a基因的植株通常为雌雄同株。

A上位于F基因,如果F为隐性时主要确定雄花的产生,但现有关于基因
A/a的研究较少。

In-f:被认为是雌性表达增强子,能增强F基因植株的雌性表达[28],但现有关于基因In-f的研究较少。

Tr基因: Tr基因可使雄花向两性花转变,使植株先产生雄花,随后产生两性花,最后产生雌性花[27]。

但关于Tr基因的研究也较少。

gy基因:Kubicki[29-30]通过遗传分析认为,gy基因能高度促进雌性表达,在gy基因作用下形成纯雌性植株;通过杂交试验也证明gy基因对F基因有调控功能。

现有研究主要认为gy对关键性别决定基因F基因起调节修饰作用。

4.1 花器官发育模型与黄瓜性别分化
发育遗传学认为,个体的发育过程是一系列基因按一定时空顺序被激活或关闭的有序表达过程。

Coen等[31]对拟南芥(Arabidopsis thaliana)和金鱼草(Antirrhinum majus)花器官发育有缺陷的突变体的观察发现,同源异型突变使每一个花部器官的决定基因可以同时影响2种花器官,提出了ABC模型,ABC分别代表影响花部器官分化的三类决定基因。

A类基因的突变影响萼片和花瓣,B类基因的
突变影响花瓣和雄蕊,C类基因的突变则影响雄蕊和心皮。

模型认为萼片的发育是由A类基因单独决定的,花瓣的发育是A类基因和B类基因一同决定的,心皮的发育是由C类基因单独决定的,而C类基因和B类基因一起决定了雄蕊的发育,B类基因具有双重效用,通过一个有缺陷的B类基因可导致花瓣和雄蕊的缺失,在其位置上会发育出多余的萼片和心皮。

在研究拟南芥SEP基因家族的基础上,把SEP基因归类于E功能基因,ABC模型又被扩展为ABCE 模型[32-35]。

目前,在玉米等多个物种研究中已经鉴定出ABCE模型,并明确了该模型与植物花发育和性型分化相关。

通过对拟南芥与矮牵牛D类功能基因FBP11同源的STK基因家族和另外发现的具有D类功能的SHP1和SHP2基因的研究发现,SHP1、SHP2和STK能控制拟南芥胚珠的发育[35-36],从而产生ABCD模型。

Kim等[37]测序并定性表达分析了澳大利亚灌木和荷花玉兰(洋玉兰)A类、B类和E类MADS-box同系物,在ABC模型加入D类和E类基因,把控制花器官发育的模型扩展为ABCDE模型。

MADS盒基因是一大类调控高等植物花器官发育的基因[38]。

A类、B类、C类基因都是可转录成蛋白质的同源异型基因,且由这些基因编码的蛋白质都含有一个MADS盒区,STK基因和SEP基因属于MADS-box基因家族。

目前,从黄瓜中已克隆得到若干MADS盒基因[39-43],ERAF17基因是其中之一。

Ando等[39]在一个雌雄同株品种和一个纯雌品种的黄瓜植株的生长点经乙烯利的处理后4 h内诱导了ERAF17合成转录本,发现在纯雌性植株的花芽中定位到ERAF17的表达,并且在雌花发育过程中持续表达,表明可能是受黄瓜植株顶端花芽中ERAF17表达的调控,乙烯诱导了雌花的形成。

李伟[43]利用原核表达ERAF17蛋白制备了多克隆抗体,证实了乙烯诱导和ERAF17基因的表达的相关性。

4.2 乙烯代谢途径基因的表达调控与性别分化
以往经典遗传学﹑生物化学和分子生物学研究主要关注的是以乙烯代谢途径为主线的与黄瓜性型分化相关的主效基因的表达调控,Yin和Quinn[44]曾提出一个单因子
模型来解释乙烯促进雌花分化的机制,指出乙烯是黄瓜性别决定的主要因素。

从发育生物学角度的研究获得的证据表明乙烯在雌花发育过程中的效应实际上是抑雄[8],所以乙烯可能既促进雌蕊发育,又抑制雄蕊发育。

在乙烯合成代谢途径中,S-腺苷甲硫氨酸(SAM)在乙烯生物合成的关键酶ACC合酶和ACC氧化酶的催化作用下生成乙烯。

ACC合酶基因家族中CS-ACS1、CA-ACS2、CA-ACS3和CA-ACS4在黄瓜中已被克隆和鉴定[45-47],ACC氧化酶中CS-ACO1、CS-ACO2和CS-ACO3也已被克隆[48]。

目前研究比较多的是CS-ACS1(雄性系黄瓜植株所含有的单基因拷贝)、CS-ACS1G(雌性系较雄性系增加的一个特异拷贝,为F基因的候选基因[49])和CA-ACS2(M基因的候选基因)。

已克隆出一个雌性系特有的Cs-ACS1G基因序列片段[50]。

曲淑娟[51]发现当抑制强雌黄瓜体内Cs-ACS1基因的表达时,花芽由雌性转变为雄性。

Yamasaki等[20]首先表明M位点介导了乙烯诱导的雄蕊滞育,但不影响乙烯对雌蕊发育的诱导,并认为M基因主要决定黄瓜单性花的结构,其等位基因m主要决定两性花的结构,两者不影响花在植株上的分布和排列。

Li 等[52]和Boualem等[53]对M 基因进行图位克隆,认为M基因为Cs-ACS2,被归类于ACC合酶基因家族。

Li等[54]还发现促进乙烯作用时能诱导Cs-ACS2基因的转录,当抑制乙烯作用时CsACS2基因的表达水平下降,表明乙烯能促进CsACS2基因表达。

在对乙烯受体相关基因的研究中,Yamasaki等[55]采用拟南芥中ETR1基因序列合成的简并引物,发现在纯雌性植株中CS-ETR2和CS-ERS基因的mRNA积累得越多,其内源乙烯水平越高,说明内源乙烯与黄瓜植株雌花的发育相关。

Wang等[56]对黄瓜花芽早期各发育阶段中不同器官原基的相关基因表达水平的检测发现,雌花雄蕊原基中乙烯受体CsETR1基因明显下调表达,与之相应,乙烯信号转导途径下游的转录因子明显上调表达,表明在雌花雄蕊的发育过程中,乙烯受体表达的下调引发了器官特异性的乙烯反应。

外界环境因素和外源施用化学试剂对黄瓜花芽性别分化有很大的影响。

温度是最为直接的影响因素,低温能促进绝大多数黄瓜品种植株的雌花分化,而高温能促进黄瓜植株雄花的分化,程国辉[57]在对黄瓜品种C09-123的温光处理中发现低夜温是促进黄瓜雌花形成的主导因素。

较弱的光照强度或短日照(8～10 h)条件也能促进雌花的形成,增加光强或长日照促进雄花的形成[58-59]。

对于不同的黄瓜品系,日照长短对雌雄花形成的影响可能会不同,如我国华南型黄瓜多为短日性,在短日照条件下能促进雌花的发生,华北型黄瓜对光周期不太敏感,而日照长短几乎不影响稳定的雌性系的性型表现。

磷肥能加快幼苗的生长发育,促使第1朵雌花的着生节位降低、花芽总数增多和雌花节率升高。

在黄瓜幼苗期,若氮肥丰富而钾肥不足,则雄花增多,雌花减少[60]。

自然界中对黄瓜性型分化影响最大的气体是CO2。

随着浓度的增加,雌花数增加、雄花出现的节位降低、雄花数减少,雌雄比例明显升高[60]。

除环境因素外,外源化学物质对黄瓜花芽性别分化和表达也有重要影响,如施用乙烯能促进黄瓜雌花分化,雌雄同株和雄全株植株经外源乙烯处理后,雌雄同株中的雌花与雄全株植株中的两性花的数量都会增加[61-63];硝酸银能促进黄瓜的雄花分化,张春平等[64] 在黄瓜全雌性系S17幼苗的2叶期连续2次对喷施浓度300 mg/L的硝酸银溶液,发现雄性增强明显。

赤霉素能使黄瓜雄花数量增加,可以诱导雌性系产生雄花[65-66]等。

6.1 DNA甲基化对植物性别分化的影响
表观遗传是指不因DNA序列的变化而引起基因表达的可遗传改变,这种改变能通过有丝分裂或减数分裂遗传下去的现象,而DNA甲基化是基因组DNA表观遗传修饰的最重要的方式之一。

DNA甲基化可以引起DNA高级结构的变化,从而引发相关基因的一系列的生物学功能变化,在基因表达调控乃至植物生长发育调节方面发挥重要作用。

Choi等[67]发现拟南芥FWA基因在雌配子中去甲基化并激活基因特异性表达。

孝顺竹开花植株内基因组DNA甲基化水平显著降低[68];五月季竹在开花时基因组DNA甲基化水平降低,在无性复壮过程中甲基化水平和去甲基化水平则逐渐回升[69],推测DNA甲基化水平的降低促使开花,这些与Burn等[70]的结论一致。

盖树鹏等[71]发现随着低温积累,牡丹植株内去甲基化位点数量增加而甲基化位点数量
下降,花芽萌动率和成花率也升高。

张旭[72]发现甘蓝型油菜植株基因组DNA甲基化水平越低,植株通过春化的比率相对越高。

黄瓜性型表达丰富,不同品种性型对环
境变化的反应呈现明显的表观遗传特点,所以,从表观遗传学角度研究黄瓜的性别分
化将有助于增强我们对其机制的深入认识。

6.2 miRNA与植物花器官分化
miRNA是生物体内长度约为21～24 nt的非编码单链小RNA,miRNA通过与靶mRNA的互补位点结合,并根据互补程度的不同来指导沉默复合体(RNA-induced silencing complex,RISC)降解靶mRNA或抑制靶mRNA的翻译,从而在转录后水平上对基因进行调控。

miRNA在调控植物生长发育尤其是在植物花器官发育方面发挥着重要作用。

目前，研究较多的参与花器官发育的miRNA主要有miR172、miR156、miR164、miR169、miR319、miR159、miR167和miR166等,其中miR172在拟南芥中
调控开花时间和花器官的形成[73]、参与玉米花序发育[74],miR156调控拟南芥由营养生长向生殖生长转变[75],miR164调控植物花器官边界形成[76],miR169抑制金鱼草和矮牵牛花被中C类基因的活性[77],miR319a调控拟南芥花器官的大小和形状[78],miR159调控拟南芥花的发育过程[79],miR167调控拟南芥花中雌蕊和雄蕊的成熟发育 [80],miR166调控拟南芥花器官的极性[81]等。

目前,植物中miRNA 对性器官发育的研究主要集中在一些模式作物上,尽管在黄瓜作物上的研究较少,但是,对黄瓜花芽分化的miRNA调控研究可能为进一步了解黄瓜性型分化的模式及
机制提供新的线索。

黄瓜花芽性别分化是一个较复杂的过程,单个花芽从早期的“两性花”状态,在不同的“内因”和“外因”的综合作用下分别发育为雌花、雄花、两性花,不同类型花的组合便形成了不同黄瓜品种的不同性型。

至今,研究者们对黄瓜性别分化的遗传和调控机制的研究揭示了黄瓜性别分化取决于以乙烯代谢途径为主的性别决定基因的作用以及环境条件的影响,但是黄瓜性型的多样性和多变性似乎很难通过单一的代谢途径的变化模式予以全面阐述。

随着黄瓜基因组研究的深入,集成多学科的最新研究成果和技术,研究建立内部和外部多因素多途径的相互作用和调控网络,有望更深入和更全面解析黄瓜花芽性别分化、性型多样性和稳定性的分子遗传机制,为黄瓜高产稳产栽培和性型遗传育种提供重要的理论依据和技术支撑。

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