近日，中國農業大學園藝學院張小蘭團隊在Plant Physiology發表了題為“SPATULA and ALCATRAZ confer female sterility and fruit cavity via mediating pistil development in cucumber”的研究論文，揭示了黃瓜中bHLH轉錄因子SPATULA（SPT）和ALCATRAZ（ALC）共同參與維持傳輸通道發育以及心皮融合的作用機制。
種子和果實對于植物的世代交替及人類的農業生產非常重要，雙受精是種子產生的前提，其重要的一環涉及到快速生長的花粉管沿著雌蕊內的傳輸通道（Transmitting Tract）延伸將不可移動的精細胞從柱頭運送至胚珠。這個傳輸通道從柱頭通向子房底端，確定了花粉管的延伸路徑，其長短和形態因果實類型而異。傳輸通道的受阻一定程度上影響雌蕊育性，空腔對于肉質果實是有害性狀，這二者調控基因在黃瓜上從未被揭示。
該研究通過CRISPR-Cas9基因編輯技術同時靶向黃瓜CsSPT和CsALC基因獲得了Csspt Csalc雙突變體，經雜交分離又獲得Csspt單突變體。Csspt雌蕊育性降低至野生型的60%；Csspt Csalc則完全敗育，且雌蕊柱頭形態異常，果實產生明顯空洞。
Csspt Csalc突變體的雌蕊不育和果實空腔表型
進一步研究發現降低的育性是由傳輸結構的發育缺陷導致。Csspt雌蕊內傳輸通道的胞外基質（多糖物質）含量明顯降低； Csspt Csalc則無胞外基質；且阿拉伯半乳聚糖蛋白（傳輸組織的一類重要糖蛋白）的分布在單雙突變體中均明顯減少。因此，傳輸通道的受阻/缺失導致了在柱頭上萌發的花粉管較難/無法在雌蕊內延伸，由此造成了育性降低（Csspt）/喪失（Csspt Csalc）。同時，雙突變體Csspt Csalc心皮邊緣分生組織的分化異常也造成其傳輸組織處的細胞變得規整松散，隨果實發育便會彼此分離從而產生空腔結構。另外，轉錄組分析顯示參與細胞壁組織和生長素信號途徑的基因在雙突變體外翻且扁平的畸形柱頭中發生顯著變化，且擬南芥參與傳輸組織發育的NO TRANSMITTING TRACT (NTT)和BRASSINOSTEROID ENHANCED EXPRESSION (BEE)在黃瓜上的同源基因也顯著下調。生化實驗表明CsSPT和CsALC可以和自身及彼此之間發生蛋白互作。
CsSPT和CsALC維持黃瓜雌蕊頂端和內部傳輸組織發育的工作模型
綜上，該研究揭示了CsSPT和CsALC協同決定雌蕊頂端柱頭形態以及雌蕊內部花粉管延伸通道的發育，從而維持黃瓜的雌性育性和心皮融合的機制。中國農業大學張小蘭教授、周朝陽副教授以及河北科技師范學院的閆立英教授為該論文的共同通訊作者，已畢業博士程志華為第一作者。本研究得到國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、北京市科技創新與服務能力建設重點學科等項目的資助。