西北农林科技大学陈书霞教授团队在黄瓜叶色调控研究方面取得进展

• 阅读： 2022/12/13 11:13:39

  叶片是大部分植物的重要器官，是光合作用的主要场所。叶绿体中的叶绿素在植物光合作用中起着非常重要的作用，与植物的光合潜力和生产力密切相关。一般情况下，植物叶片因含有稳定的叶绿素使植株呈现绿色，叶绿体发育和叶绿素合成过程中任何一个合成步骤都会影响叶绿素含量，导致叶色异常。

  2022年12月，Horticulture Research在线发表了西北农林科技大学陈书霞教授团队题为Identification and characterization of CsSRP43, a major gene controlling leaf yellowing in cucumber 的研究论文。该研究以黄瓜叶色黄化突变体材料yf 为父本，以绿色叶色自交系Gy14为母本，进行杂交获得F?代，F?代自交后获得F?分离群体。叶色分离规律表明，黄瓜叶色黄化性状是由1对隐性核基因控制。

  图1 叶色黄化突变体表型观察

  yf 突变体和Gy14的叶片叶绿体超微结构的透射电镜观察发现，Gy14叶绿体内部存在排列整齐和结构清晰的类囊体片层，而yf 突变体的叶绿体类囊体片层排列紊乱、数量较少且层次不清。此外，Gy14的叶绿体内具有数量多且大的淀粉粒，而突变体内有很多空小泡且无明显的淀粉粒。

  通过精细定位和和遗传分析，将叶片黄化突变性状定位在黄瓜第7染色体InDel21和SSR20583之间的18.6 kb区间内，该区段包含5个候选基因。其中在突变体中CsGy7G001220 基因位置存在一段7 kb的片段缺失，该片段包含CsGy7G001220 基因的编码区和启动子区域。结合候选基因的表达特性、基因功能注释和突变体基因组重测序分析，初步确定黄瓜叶绿素信号识别颗粒43kDa蛋白基因CsSRP43 为候选基因。相较于Gy14，突变体中CsSRP43 基因完全缺失。亚细胞定位分析表明CsSRP43 主要定位在叶绿体上。

  图2 CsSRP43基因精细定位和克隆

  为了进一步确定CsSRP43 在控制黄瓜叶色黄化中的功能，采用基因编辑技术对绿色叶片黄瓜9930自交系的CsSRP43 进行编辑。结果显示CsSRP43 基因编辑株系srp43-1 和srp43-2 的叶片颜色呈现黄色，透射电镜分析表明srp43-1 和srp43-2 在叶绿体形态、淀粉粒数目及类囊体基粒片层等方面发生明显变异。

  图3 CsSRP43基因编辑植株的透射电镜观察和黄化表型

  转录组测序结果表明srp43-1 在光合作用、叶绿素代谢等KEGG信号通路上差异基因显著富集，其表达量显著低于9930。

  图4 CsSRP43基因编辑株系与野生型叶片的转录组分析

  此外，蛋白互作结果表明，CsSRP43 可与SRP54、LHCP等蛋白相互作用。推测CsSRP43与cpSRP54先相互作用形成cpSRP复合物，然后成熟的LHCP蛋白通过叶绿体基质蛋白LTD转移到cpSRP复合物，并与CsSRP43互作，在插入类囊体膜的过程LHCP蛋白又需要FtsY和Alb3蛋白的参与。这些发现有助于阐明黄瓜叶色调控的复杂机制。

  因此，CsSRP43是参与cpSRP复合物形成、接收LHCP蛋白和传导光合作用信号的重要组分之一。在yf 突变体中，复合体不能形成，光合作用途径的传递受到影响，推测这是突变体叶色变黄的原因。该调控通路的解析为黄瓜叶色调控提供了思路和途径，为改良黄瓜光合作用及产量形成提供了分子育种的靶标，奠定了理论和技术基础。

  图5 CsSRP43基因调控黄瓜叶色的工作模型

  西北农林科技大学园艺学院陈书霞教授为该论文的通讯作者，博士研究生张婷婷为该论文的第一作者。该研究获得陕西省重点研发计划项目（2021ZDLNY03-04）、西安市2022年科技项目和西北农林科技大学科技创新转化示范站项目（TGZX2020-20）的资助。

  文章链接：

  https://doi.org/10.1093/hr/uhac212

  转自：“园艺研究”微信公众号

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