在自然界中，植物叶片的形态、大小和颜色多种多样，是构成缤纷多彩世界的重要组成部分，也是植物分类的可靠特征。叶片是植物进行光合作用、蒸腾作用和呼吸作用的主要器官，叶片的大小和形态与农作物的最终产量密切相关。黄瓜典型的叶片为掌状，是黄瓜株型的重要组成部分，其大小影响着黄瓜的种植密度和产量等，但目前关于黄瓜叶片大小调控机制的研究还非常有限。之前的研究表明，R2R3-MYB转录因子RAX/Blind在调控腋芽起始方面具有保守的功能，但其同源基因在黄瓜发育中的功能还未见报道。
近日，中国农业大学张小兰教授团队在JIPB在线发表了题为“CsRAXs negatively regulate leaf size and fruiting ability through auxin glycosylation in cucumber”的研究论文(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.13655)，揭示了R2R3-MYB转录因子CsRAXs通过生长素途径调控黄瓜叶片大小并影响黄瓜坐果能力的分子机制。
利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了黄瓜CsRAX1、CsRAX2和CsRAX5的单突变体，发现与其拟南芥RAX和番茄Blind等同源基因的突变体表型不同，CsRAX单突变体并没有表现出腋芽起始缺陷的表型，但Csrax5叶片显著增大。通过杂交和CRISPR/Cas9技术构建了双突变体Csrax1 Csrax2 (Csrax1/2) 和三突变体Csrax1 Csrax2 Csrax5 (Csrax1/2/5)，发现Csrax1/2株系没有腋芽起始或叶片大小方面的表型，而Csrax1/2/5的叶片比Csrax5进一步增大，同时茎粗也增加。将CsRAX1和CsRAX5分别在黄瓜中进行过量表达，发现CsRAX1和CsRAX5过表达株系的叶片和茎粗均显著变小，其中CsRAX5过表达株系的叶片变小最为明显，这些结果表明CsRAXs是黄瓜叶片大小的负调控因子，且CsRAX5在此过程发挥主要作用。此外还对各株系的坐果能力进行了分析，发现三突变体Csrax1/2/5的坐果能力显著增强，但未影响果长；而CsRAX5过表达株系的坐果能力显著降低，且CsRAX1和CsRAX5过表达株系的果长也显著变短，表明CsRAXs负调控黄瓜单株产量。细胞和激素水平分析显示三突变体Csrax1/2/5叶片中的生长素水平升高，叶表皮细胞的数量增加，而CsRAX5过表达株系则相反。此外，编码生长素葡糖基转移酶的基因CsUGT74E2在Csrax1/2/5中下调，生化实验表明CsRAX1和CsRAX5可以直接结合并促进CsUGT74E2 的表达。
综上所述，作者提出了CsRAXs通过CsUGT74E2介导的生长素糖基化调节叶片中游离生长素的含量来调控叶片大小和茎粗，进而影响黄瓜单株产量的模型 (图1) ，该成果为通过分子育种技术培育高产的黄瓜新品种提供了基因位点。
图1. CsRAXs调控黄瓜叶片大小的模式图
中国农业大学园艺学院博士研究生陈家才为论文第一作者，张小兰教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和拼多多-中国农业大学研究基金等项目的资助。
文章引用：
Chen, J., Liu, L., Chen, G., Wang, S., Liu, Y., Zhang, Z., Li, H., Wang, L., Zhou, Z., Zhao, J., et al. (2024). CsRAXs negatively regulate leaf size and fruiting ability through auxin glycosylation in cucumber. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13655
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