黃瓜果實發育相關性狀的分子調控研究進展

馬凱 牛莉莉 唐艷領 蔡毓新 楊凡 史宣杰

摘? ? 要：黃瓜作為一種世界范圍內的重要蔬菜經濟作物，其果實的正常發育與產品的品質密切相關。黃瓜果實發育的相關性狀主要包括果實大小、果皮顏色、表面刺瘤、果實風味、單性結實能力等。近年來，隨著黃瓜基因組全測序的完成及分子生物學的發展，國內外專家對黃瓜果實發育相關性狀的分子調控機制進行了深入研究，分別在不同程度上揭示了各類性狀的分子調控機制。筆者將針對黃瓜果實正常發育相關的主要性狀，闡述其受到的關鍵基因調控的作用機制。

關鍵詞：黃瓜;果實發育;相關性狀; 分子調控機制

Abstract： As an important economic vegetable crop in the world， the fruit development of cucumber determines its yield and quality. The traits of cucumber fruit development include fruit size， peel color， surface prickling， fruit flavor， parthenocarpy and so on. In recent years， with the complete sequencing of cucumber genome and the advances of molecular biology， experts the molecular regulatory mechanisms related to cucumber fruit development have been investigated. In this paper， we will focus on the main traits related to the development of cucumber fruit， and elaborate the mechanism of various key genes regulation.

Key words： Cucumber; Fruit development; Related traits; Molecular regulation mechanisms

黃瓜（Cucumis sativus L.）為葫蘆科甜瓜屬一年生草本植物，起源于喜馬拉雅山南麓的熱帶雨林地區，主要以幼嫩的果實作為食用和商品器官[1]。黃瓜在長時間、大范圍的人工選擇和自然進化過程中形成了眾多類型，單以果實性狀來說，不同的黃瓜類型在果實大小、果皮顏色、表面刺瘤、果實風味、單性結實能力等方面各有特點[2]。黃瓜作為一種二倍體植物（2n=2x=14），基因組相對較小，近年來，隨著基因組測序工作的完成及分子生物學的發展，黃瓜逐漸成為了研究果實發育分子調控機制的模式植物，國內外相關專家開展了大量的研究工作，分析了黃瓜果實發育各類相關性狀的分子調控機制[3-4]。

黃瓜是一種重要的蔬菜經濟作物，在世界范圍內廣泛種植，我國作為黃瓜主要的生產國和消費國，黃瓜產量和品質的提升對推動蔬菜產業發展、提高蔬菜生產效益具有重要意義。近年來，隨著設施條件的惡化和其他不良環境條件的影響，黃瓜果實異常發育的現象時有發生，限制了我國黃瓜產業的有效發展[5-8]。因此，筆者將針對黃瓜果實大小、果皮顏色、單性結實能力等主要性狀闡述黃瓜果實發育相關性狀的分子調控機制，以期為解決黃瓜栽培生產中的問題提供理論依據。

1 黃瓜的分類

早在3 000多年前人們就開始進行黃瓜的種植和馴化工作，目前的黃瓜主要分為3種類型：野生型（Cucumis sativus L. var. hardwickii）、半野生型（Cucumis sativus L. var. xishuangbannanensis）和栽培類型（Cucumis sativus L. var. sativus）[9-10]。野生型黃瓜的果實較小，整體呈圓形，表面有黑色刺狀物，果肉較苦;半野生型黃瓜的果實形狀類似于甜瓜，表面無明顯刺狀物，部分果肉呈橘黃色;栽培類型黃瓜主要包括中國華南型、中國華北型、歐美露地型及歐洲溫室型等[1]。

2 黃瓜果實的發育過程

黃瓜的花器包括3種類型：雌花（Female flowers）、雄花（Male flowers）和兩性花（Prefect flowers），黃瓜果實的形成起始于雌花的子房，通過授粉作用或單性結實過程以及后期果實膨大過程，最終形成能夠食用的幼嫩果實[11]。黃瓜果實的形成伴隨著細胞數量的增加和細胞體積的膨脹，一般在授粉作用或單性結實過程之后，黃瓜果實細胞的數量開始迅速增加，果實細胞的數量增加到體積膨大轉換的過程一般需要3～5 d[12]。黃瓜果實的早期發育主要受到植物激素合成及信號轉導途徑相關基因、細胞周期與細胞生長相關基因及擴張蛋白合成相關基因的調控，根據黃瓜品種和栽培條件的不同，黃瓜果徑的迅速增加一般發生在果實起始發育后4～16 d，形成商品果的過程一般需要12～16 d，在此期間，黃瓜果實的質量能夠提高200倍以上[13]。

3 黃瓜果實性狀及其分子調控機制

3.1 果實大小

黃瓜果實大小與產品產量和品質密切相關，通常采用果長、果徑和果形指數等參數進行衡量。在長期的進化過程中，不同黃瓜類型果實的大小表現出較大差異，野生型黃瓜果實的長度一般在3～5 cm之間，而馴化過的栽培黃瓜，例如華北型黃瓜的果實長度最長能夠達到35 cm[13]。前人研究表明，黃瓜果實的大小主要受到內源激素代謝及傳導的調控、細胞周期相關基因及某些關鍵轉錄調控因子表達的影響[2]。翁益群等[14]通過北美型黃瓜‘Gy14和華北型黃瓜‘9930自交系和測交系的構建，發現了12個控制黃瓜果實大小的數量性狀控制位點（Quantitative trait loci，QTLs），分別是FS1.1、FS1.2、FS2.1、FS2.2、FS3.1、FS3.2、FS3.3、FS4.1、FS5.1、FS6.1、FS6.2和FS7.1，其中，FS1.2、FS2.1、FS2.2參與黃瓜的橫向生長，FS3.1、FS3.2調控黃瓜的縱向生長，FS5.1與黃瓜果實的形狀相關，FS2.1、FS4.1、FS6.1與黃瓜果實的質量相關。鄭雙雙[15]在黃瓜果實發育異常的自然突變體相關研究中發現了short fruit 1（sf1）基因，該基因的突變體的果實明顯變短，研究結果表明，該基因屬于單基因隱性遺傳，能夠通過調節生長素、細胞分裂素信號途徑和赤霉素合成及信號途徑促使細胞數目減少進而引起黃瓜果實變短。蔣勵[16]的研究表明，CsFUL1作為一種MADS-box轉錄因子能夠通過抑制生長素的運輸和CsSUP介導的細胞分裂和膨脹影響黃瓜果實的伸長，在黃瓜中過量表達該基因能夠使黃瓜果實縮短，而抑制該基因的表達能夠使果實變長。魏慶鎮等[17]通過二代測序技術鑒定出了8個控制黃瓜長度的基因位點，其中有4個候選基因在較長的黃瓜品種中具有明顯的上調表達模式。孫涌棟、梅茜及王壘等[18-20]分別通過黃瓜果實早期發育階段的基因表達差異分析、黃瓜幼嫩果實cDNA文庫構建及Northern雜交等技術，檢測并分析了5個生長素合成及信號轉導途徑相關基因、6個細胞分裂相關的關鍵基因及擴張蛋白合成相關基因在黃瓜果實早期發育過程中的表達模式和作用，其中，孫涌棟[18]首次克隆到基因CsEXP5的表達與黃瓜果實膨大呈現出顯著相關性，對于該類基因的研究為進一步研究黃瓜果實大小的分子調控機制奠定了一定的基礎。

3.2 果皮顏色

黃瓜果皮顏色是與營養價值和商品性直接相關的重要性狀之一，葉綠素和類胡蘿卜素是調節黃瓜果皮顏色的2種主要色素。經過長期馴化，不同黃瓜種類的果皮顏色各異，幼嫩果實的果皮顏色有白色、淺綠色、綠色、深綠色等，成熟果實的果皮顏色有白色、黃色、淺綠色、紅色及橙色等，控制果皮顏色的相關基因被逐步證實和挖掘[21]，如w基因、dg基因、yg基因、D基因分別控制黃瓜果實白色果皮、綠色果皮、黃綠色果皮以及暗綠色果皮的性狀。周倩等[22]通過EMS誘變獲取了與黃瓜果皮顏色相關的單基因控制隱性遺傳突變體lgp，該突變體表現為黃瓜果皮顏色由深綠色變為淺綠色，進一步研究表明，控制該性狀的基因CsaARC5編碼一種動力蛋白類似蛋白（dynamin-like protein，DLP），與擬南芥葉綠體分裂蛋白復合體重要組分之一AtARC5具有較高的同源性。CsaARC5能夠通過參與葉綠體的發育過程控制黃瓜果皮的顏色，當該基因發生突變時，黃瓜果皮中葉綠體的數量和大小都會受到影響，進而使得黃瓜果皮呈現出淺綠色。CsYcf54作為另外一種通過EMS誘變挖掘的黃瓜果皮顏色調控基因，能夠通過控制葉綠素的合成進而調節黃瓜果皮呈現綠色的程度[23]。楊康等[24]構建了黃瓜白色果皮突變體與常規綠色果皮品種的F2代群體，相關分析結果表明，黃瓜果皮呈現白色是由一種MYB類轉錄因子Csa3G904140進行調控，推測該基因的主要功能是參與葉綠體的正常發育和葉綠素的積累。劉書林等[25]對于調控黃瓜成熟果實果皮顏色的相關研究表明，黃瓜成熟果實呈現紅色果皮對于呈現黃色果皮來說屬于顯性遺傳，是一種單基因調控性狀，通過群體分離分析篩選到20個相關分子標記，并將該基因定位在黃瓜的4號染色體的2個分子標記UW019319與UW019203之間。

3.3 果皮刺瘤

黃瓜果皮上刺瘤的數量和類型也是黃瓜果實重要的商品性狀之一，不同類型黃瓜品種的果皮刺瘤性狀也表現出較大的差異，例如，華北型黃瓜的果實表面具有密集的刺瘤，而南亞型、歐美型黃瓜果實表面的刺瘤就較為稀少。黃瓜刺瘤的形成是一個復雜的調控過程，受到多種基因調控網絡和植物激素信號途徑的控制[2，26]。最早的相關研究要追溯到1913年，對于黃瓜果瘤性狀的遺傳分析結果表明，該性狀屬于受單基因控制的顯性性狀[27-30]。直到2014年，Yang等[31]完成了對該基因的克隆及功能分析等相關工作，結果表明，Tu基因能夠編碼一種C2H2鋅指蛋白，能夠通過促進細胞分裂素的富集調控黃瓜果瘤的發育，另外，Yang等[32]的研究結果表明，CsTS1能夠控制果瘤的大小，在22個果瘤較小或者沒有果瘤的黃瓜品系中，該基因的表達十分微弱，生化分析結果顯示，CsTu編碼的鋅指結構蛋白能夠直接結合到CsTS1基因的啟動子上，說明這2個基因在黃瓜中具有協同調控果瘤發育的功能。科學家在1964年發現了一種黃瓜無毛突變體，并將其命名為glabrous（gl），該突變體表現為果皮表面光滑無刺瘤，其他器官也沒有表皮毛的覆蓋，隨后的相關研究又陸續發現了csgl3、tril及fs1等與gl表型類似的突變體，這3種突變均發生在同一個基因上，即Csa6M514870，該基因編碼了一種植物特異的轉錄因子（Class IV HD-Zip family），該轉錄因子在黃瓜果實刺瘤發育的起始階段起到重要的調控作用[33-35]。CsMYB6、CsTRY和CsTTG1是3個新近報道的控制黃瓜果皮刺瘤發育的關鍵基因，其中，CsMYB6作為一種MYB類的轉錄調控因子，當其表達量上升之后，會減少黃瓜果實表面刺瘤數量，CsTRY與CsMYB6共同參與對黃瓜果皮刺瘤性狀調控的作用。CsTTG1作為WD40蛋白家族成員之一，過量表達后會增加刺瘤的密度，表達受到抑制后會導致刺瘤的數量明顯減少 [36-38]。

3.4 果實風味

外觀品質、營養品質及風味品質共同決定了黃瓜的商品性，黃瓜果實風味主要受到香氣物質、苦味物質和澀味物質的影響，其中，黃瓜果實中的香氣物質主要為醛類及對應的醇類，苦味物質和澀味物質則分別是由于果肉中形成的葫蘆素（Cucurbitacin C）和兒茶素造成的[39]。20世紀60年代以來，黃瓜果肉中的香味物質逐漸被分離鑒定，主要包括25種芳香物質，每種香味物質的含量和比例各不相同，其中，香氣的產生主要受到C6、C9等醛類物質的影響，其他物質只起到輔助協調的作用[40]。C6與C9的比值能夠顯著影響黃瓜的香味品質，在C6、C9等醛類物質的合成過程中，脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX）作為具有催化游離脂肪酸的酶類，是黃瓜醛類物質合成過程關鍵的前期調控因子，脂氫過氧化物裂解酶作為催化脂類物質氧化途徑過程的關鍵酶類，是黃瓜醛類物質合成過程后期關鍵的調控因子，這2類催化物質能夠通過影響C6、C9在果肉中的比例進而影響黃瓜果實的風味。在黃瓜果實發育過程中，共有12個脂氧合酶合成基因CsLOXs，魏文霞、劉苗苗等[41-42]的研究表明，9-Cs HPL和913-Cs HPL的表達模式與C9的趨勢類似，CsLOX2的表達與C9醛類香氣含量的變化呈現出顯著相關性。苦味和澀味是影響黃瓜果實風味兩大主要因素。其中，形成黃瓜苦味的葫蘆素的形成首先是2，3-氧化喹啉在葫蘆醇合成酶作用下，經過環化作用形成四環葫蘆烷骨架，然后經過8種細胞色素P450酶的催化作用形成脫乙酰基葫蘆素，最后在乙酰基轉移酶ACT的作用下最終形成葫蘆素。葫蘆素合成過程中的關鍵限速環節是第一步，是在葫蘆醇合成酶的催化下完成的，該合成酶是氧化鯊烯環化酶基因家族中的Bi（bietterness）基因的表達產物。值得注意的是，Bi基因和8中細胞色素P450酶合成基因均受到Bl（bitter leaf）和Bt（bitter fruit）2種組織特異性表達的轉錄因子調控，分別能夠控制葫蘆素合成相關基因葉片和果實中的特異表達，在黃瓜栽培品種長期的馴化過程中，葉片中的苦味基本保持不變而果實中的苦味在逐漸減弱[32]。黃瓜果實澀味程度在黃瓜果實發育過程中呈現遞減趨勢，兒茶素類物質作為影響黃瓜澀味的關鍵因素，主要通過DFR（Dihydroflavonol Reduvtase）和LAR（Leucoanthocyanidin Reductase）2個關鍵基因調控，其中，DFR編碼一種二氫黃酮醇還原酶，參與苯丙氨酸代謝途徑;LAR編碼一種無色花色素還原酶，參與原花青素單體的合成。DFR與LAR的表達均與兒茶素的含量呈正相關，其中，DFR受到MYB類轉錄因子的調控，MYB3對DFR的表達起到抑制作用，而MYB1起到促進作用[43]。

[10] YANG L，KOO D H，LI Y，et al.Chromosome rearrangements during domestication of cucumber as revealed by high-density genetic mapping and draft genome assembly[J].The Plant Journal，2012，71（6）：895-906.

[11] GLENDA G，HILLA B D，WILHELM G.A developmental perspective[J].Plant Cell，1993，5（10）：1439-1451.

[12] 蔣燕，張菊平，張興志.黃瓜果實生長發育與縱橫徑及果重的關系[J].河南農業大學學報，1999（S1）：123-124.

[13] 王燕.黃瓜動蛋白參與果實發育早期細胞分裂和細胞膨大過程的研究[D].北京：中國農業科學院，2015.

[14] WENG Y，COLLE M，WANG Y，et al.QTL mapping in multiple populations and development stages reveals dynamic quantitative trait loci for fruit size in cucumbers of different market classes[J].Theoretical and Applied Genetics，2015，128（9）：1747-1763.

[15] 鄭雙雙.轉錄組分析初步揭示黃瓜short fruit 1果實變異的分子機制[D].山東泰安：山東農業大學，2016.

[16] 蔣勵.黃瓜CsFUL基因調控果實發育的分子機理研究[D].北京：中國農業大學，2015.

[17] WEI Q Z，FU W Y，WANG Y Z，et al.Rapid identification of fruit length loci in cucumber（Cucumis sativus L.）using next-generation sequencing（NGS）-based QTL analysis[J].Scientific Reports，2016（6）：27496.

[18] 孫涌棟.授粉后黃瓜果實膨大生長相關基因的克隆與表達分析[D].重慶：西南大學，2006.

[19] 梅茜.黃瓜幼果cDNA文庫構建與部分ESTs分析[D].重慶：西南農業大學，2004.

[20] 王壘.黃瓜單性結實相關基因的分離、表達及SSR標記分析[D].南京：南京農業大學，2011.

[21] MIAO H，ZHANG S，WANG X，et al.A linkage map of cultivated cucumber（Cucumis sativus L.）with 248 microsatellite marker loci and seven genes for horticulturally important traits[J].Euphytica，2011，182（2）：167-176.

[22] ZHOU Q，WANG S，HU B，et al.An ACCUMULATION AND REPLICATION OF CHLOROPLASTS 5 gene mutation confers light green peel in cucumber[J].Journal of Integrative Plant Biology ，2015，57（11）：936-942.

[23] LUN Y，WANG X，ZHANG C，et al.A CsYcf54 variant conferring light green coloration in cucumber[J].Euphytica，2016，208（3）：509-517.

[24] 楊康，宋蒙飛，魏慶鎮，等.控制黃瓜白綠色果皮基因w的定位和候選基因預測[J].南京農業大學學報，2018，41（6）：1003-1008.

[25] 劉書林，顧興芳，苗晗，等.成熟黃瓜果皮紅色性狀的遺傳分析及其基因定位[J].園藝學報，2014，41（2）：259-267.

[26] CHEN C，LIU M，JIANG L，et al.Transcriptome profiling reveals roles of meristem regulators and polarity genes during fruit trichome development in cucumber（Cucumis sativus L.）[J].Journal of Experimental Botany，2014，65（17）：4943-4958.

[27] ANDEWEG J.The breeding of scab-resistant frame cucumbers in the Netherlands[J].Euphytica，1956.5（2）：185-195.

[28] 王桂玲，秦智偉，周秀艷，等.黃瓜果瘤的遺傳及SSR標記[J].植物學通報，2007，24（2）：168-172.

[29] ZHANG W，HE H，GUAN Y，et al.Identification and mapping of molecular markers linked to the tuberculate fruit gene in the cucumber（Cucumis sativus L.）[J].Theoretical and Applied Genetics，2010，120（3）：645-654.

[30] POOLE C F.Genetics of cultivated cucurbits[J].Journal of Heredity，1944，35（4）：122-128.

[31] YANG X，ZHANG W，HE H，et al.Tuberculate fruit gene Tu encodes a C2H2 zinc finger protein that is required for the warty fruit phenotype in cucumber（Cucumis sativus L.）[J].The Plant Journal，2014，78（6）：1034-1046.

[32] YANG S，WEN C，LIU B，et al.A CsTu-TS1 regulatory module promotes fruit tubercule formation in cucumber[J].Plant Biotechnology Journal，2019，17（1）：289-301.

[33] 李強.黃瓜表皮毛相關基因的定位、同源克隆與功能研究[D].山東泰安：山東農業大學，2013.

[34] CHEN C，YIN S，LIU X，et al.The WD repeat protein CsTTG1 regulates fruit wart formation through interaction with the homeodomain-leucine Zipper I protein Mict[J].Plant Physiology，2016，171（2）：1156-1168.

[35] PAN Y，BO K，CHENG Z，et al.The loss-of-function GLABROUS 3 mutation in cucumber is due to LTR-retrotransposon insertion in a class IV HD-ZIP transcription factor gene CsGL3 that is epistatic over CsGL1[J].BMC Plant Biology，2015，15（1）：302.

[36] LIU X，BARTHOLOMEW E，CAI Y，et al.Trichome-related mutants provide a new perspective on multicellular trichome initiation and development in Cucumber（Cucumis sativus L.）[J].Frontiers in Plant Science，2016，7：1187.

[37] ZHAO J，WANG Y，YAO D，et al.Transcriptome profiling of trichome-less reveals genes associated with multicellular trichome development in Cucumis sativus[J].Molecular Genetics and Genomics，2015，290（5）：2007-2018.

[38] YANG S，CAI Y，LIU X，et al.A CsMYB6-CsTRY module regulates fruit trichome initiation in cucumber[J].Journal of Experimental Botany，2018，69（8）：1887-1902.

[39] 徐強.栽培環境對黃瓜果實風味品質遺傳效應的影響與特征芳香物質含量變化的初步研究[D].江蘇揚州：揚州大學，2014.

[40] 劉春香.黃瓜風味品質的構成因素及部分因素遺傳參數的研究[D].山東泰安：山東農業大學，2003.

[41] 魏文霞.黃瓜脂氧合酶基因CsLOX2參與C9醛類香氣合成功能的初步研究[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2018.

[42] 劉苗苗.黃瓜脂氫過氧化物裂解酶基因CsHPLs參與醛類香氣合成的初步分析[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2018.

[43] SHANG Y，MA Y，ZHOU Y，et al.Biosynthesis，regulation，and domestication of bitterness in cucumber[J].Science，2014，346（6213）：1084-1088.

[44] LI J，WU Z，CUI L，et al.Transcriptome comparison of global distinctive features between pollination and parthenocarpic fruit set reveals transcriptional phytohormone cross-talk in cucumber （Cucumis sativus L.）[J].Plant and Cell Physiology，2014，55（7）：1325-1342.

[45] KIM I，OKUBO H，FUIJIEDA K.Endogenous levels of IAA in relation to parthenocarpy in cucumber（Cucumis sativus L.）[J]. Scientia Horticulturae，1992，52（1/2）：1-8.

[46] 劉嘉斐，張璐，孟永嬌，等.過表達鈣調素類似蛋白基因CML25-like誘導黃瓜單性結實的研究[J].南京農業大學學報，2019，42（3）：421-429.