Nature Plants | 无需授粉受精！青农、中农团队揭秘黄瓜单性结实
发表单位：青岛农业大学、中国农业大学
发表期刊：Nature Plants
影响因子：15.8
发表时间：2025年1月15日
DOI: 10.1038/s41477-024-01899-2
植物生殖发育过程中，开花与果实形成通常需要完成授粉与受精过程。但研究发现，部分物种在自然状态下能够突破这一限制：其子房无需经历授粉及受精过程即可发育成果实，或在生长素等外界因素诱导下实现无籽果实形成，该生物学现象被定义为单性结实（parthenocarpy）。这一特殊机制由于能够显著提升果实食用价值并优化品质性状，现已成为现代作物遗传改良的重要方向。
青岛农业大学张忠华教授团队联合中国农业大学眭晓蕾教授团队，于2025年1月15日在️Nature Plants期刊发表了题为️"Molecular regulation and domestication of parthenocarpy in cucumber"的重要研究成果。研究团队成功鉴定出黄瓜单性结实的核心调控因子NPF1，揭示该基因通过协调调控生长素合成基因YUC4与苦味物质合成基因Bt的表达，实现生殖发育与次生代谢的双重调控。该研究不仅系统解析了作物驯化过程中多个性状的协同演化机制，更为重要的是构建了基于NPF1基因的生物育种理论框架，为培育优质单性结实黄瓜品种提供了分子设计策略，同时为其他园艺作物单性结实性状的遗传改良开辟了新路径。
️研究内容
图1：黄瓜CsNPF1基因定位
基于合作单位提供的自发非单性结实突变体材料npf1（non-parthenocarpic fruit 1），研究团队首先开展基因定位研究（图1）。通过整合BSA-seq与KASP基因分型技术，在第6号染色体定位到约15 kb的缺失区域，该区域唯一候选基因编码AP2家族转录因子，命名为CsNPF1。
组织特异性表达分析显示，CsNPF1在花分生组织、花原基及果实胚珠中呈现高丰度表达。利用CRISPR/Cas9技术构建的CsNPF1敲除突变体npf1CR1和npf1CR2均丧失单性结实能力，证实该基因在黄瓜无籽果实形成过程中发挥关键作用。
图2：黄瓜CsNPF1正调控胚珠中生长素局部合成促进单性结实
为深入解析CsNPF1的作用机制，研究团队构建了DAP-seq与RNA-seq联合分析体系，挖掘出CsNPF1转录因子的全基因组调控网络。结果显示，CsNPF1通过调控生长素信号通路关键节点发挥作用——该转录因子直接结合生长素合成基因CsYUC4启动子区域，通过激活其表达驱动胚珠内源生长素积累，最终诱导单性结实发生（图2）。动态监测显示，随着单性结实果实发育，胚珠内生长素浓度呈现梯度升高趋势（图2）。
图3：黄瓜CsNPF1和CsYUC4的自然变异协同调控单性结实
基于黄瓜种质资源分类学研究，将现有种质划分为印度野生型（Cucumis sativus var. hardwickii）、欧亚栽培型、东亚栽培型及中国西南部西双版纳栽培型四大地理类群。比较基因组分析发现，CsNPF1基因位点在栽培群体驯化过程中受到强烈正向选择，而CsYUC4的选择信号仅存在于东亚栽培种（图3）。
在驯化过程中，由于CsNPF1第7位氨基酸由苯丙氨酸（Phe）突变为丝氨酸（Ser），使得CsNPF1蛋白更稳定并增强了对下游基因的调控能力。此外，该研究还发现驯化过程中CsYUC4启动子区域的-383位碱基由A变为G，导致CsNPF1对CsYUC4的激活能力增强，从而提高了CsYUC4表达和生长素水平，进一步促进单性结实的形成（图3）。单倍型分析发现，CsNPF1优异单倍型Hap2（CsNPF1Ser7）和CsYUC4优异单倍型Hap2（CsYUC4-383G）与黄瓜果实生长素水平和单性结实增强的表型相关（图3）。
图4：黄瓜CsNPF1负调控果实苦味合成
️研究结果本研究以自然发生的黄瓜非单性结实突变体npf1为材料，通过BSA-seq与KASP技术定位到新基因CsNPF1，并利用CRISPR/Cas9技术验证其功能。RNA-seq、Dap-seq、UPLC-MS/MS、EMSA及双荧光素酶实验揭示CsNPF1调控生长素合成基因YUC4和果实苦味基因Bt，影响黄瓜单性结实与苦味特性。同时，从进化角度探讨了CsNPF1在黄瓜驯化过程中的作用，为黄瓜品质遗传研究提供了重要思路与参考。
