2025年1月，《Nature》旗下國際植物學期刊《Nature Plants》雜志在線發表了中國農業大學眭曉蕾課題組與合作者共同完成的研究論文“Molecular regulation and domestication of parthenocarpy in cucumber”。該研究鑒定了一個新的馴化基因 NPF1 ，揭示其作為生長素合成基因 YUC4 和果實苦味基因 Bt 的上游調控因子，協同調控黃瓜單性結實和果實苦味，闡明了不同性狀在馴化過程中的分子調控機制。此外，利用YUC4的優異變異位點，培育出強單性結實的栽培黃瓜品種。這一發現為提升黃瓜的產量和品質提供了重要的理論依據。
植物的開花和結實通常依賴于授粉和受精作用，然而在自然條件下，有些植物可以不經過授粉和受精而結實，或是在某些刺激（如生長素等）的作用下，未受精的子房也能形成果實，這種現象稱為單性結實（parthenocarpy）。單性結實因其無需授粉且能產生無籽果實的特性，顯著提高了果實的可食率和品質，因而成為作物育種中一項重要的農藝目標性狀。一般而言，栽培黃瓜是由野生黃瓜馴化而來。在這一過程中，株型特征（如葉片大小和分枝數量）、單性結實的強弱、果實大小以及苦味等與農藝性狀相關的特征都經歷了顯著變化。目前已知的黃瓜馴化基因包括 Bt、Tu、FT 和 FUL1 等，但大多數研究主要集中在單一性狀的解析上，對黃瓜產量與品質在馴化過程中如何協同調控的遺傳機制仍不清楚。
研究首先利用合作單位天津市農業科學院黃瓜研究所提供的自發非單性結實突變體 npf1 （ non-parthenocarpic fruit 1 ）進行基因定位（圖1），結合BSA-seq和KASP基因分型的數據發現，突變體 npf1 的第6號染色體上存在一個約15kb的缺失片段，此片段內僅存在一個候選基因，編碼AP2轉錄因子，并將其命名為 CsNPF1 用于后續研究。 CsNPF1 在花分生組織、花原基和果實胚珠中高豐度表達。基于CRISPR/Cas9基因編輯技術敲除 CsNPF1 基因，獲得穩定遺傳突變體 npf1 CR1和 npf1 CR2，該突變體株系出現非單性結實表型，表明 Cs NPF1 在黃瓜單性結實果實形成過程中發揮關鍵作用。
圖1 黃瓜 CsNPF1 基因定位
為進一步解析 Cs NPF1 調控單性結實的分子機制，研究人員進行了Dap-seq和RNA-seq分析，挖掘出 Cs NPF1 轉錄因子的全基因組調控網絡。結果顯示，生長素信號途徑在該調控網絡中顯著富集，CsNPF1能夠直接結合生長素合成基因 Cs YUC4 的啟動子并激活其表達，從而提高胚珠中生長素水平，促進單性結實形成（圖2）。隨著單性結實果實的發育，胚珠中的生長素水平逐漸升高（圖2I，DR5::RUBY報告基因顯示）。
圖2 黃瓜CsNPF1正調控胚珠中生長素局部合成促進單性結實
根據已有研究，黃瓜分為四個主要（地理）類群：印度、歐亞、東亞和中國西南部的西雙版納類群。其中，印度類群包含了大量遺傳多樣性，包括野生黃瓜（ Cucumis sativus var. hardwickii ）。與栽培黃瓜（ Cucumis sativus var. sativus ）相比，野生黃瓜具有小葉、強分枝能力、較弱的單性結實能力，以及苦澀不可食用的果實。此項研究通過比較三種栽培群體（歐亞、東亞和西雙版納）與野生群體（印度）的基因組區域，發現CsNPF1位點在馴化過程中受到強烈選擇，導致在三種栽培群體中的序列多態性顯著降低。而CsYUC4位點僅在東亞栽培種中受到選擇（圖3）。在馴化過程中，由于CsNPF1第7位氨基酸由苯丙氨酸（Phe）突變為絲氨酸（Ser），使得CsNPF1蛋白更穩定并增強了對下游基因的調控能力。此外，該研究還發現馴化過程中 CsYUC4 啟動子區域的-383位堿基由A變為G，導致CsNPF1對 Cs Y UC4 的激活能力增強，從而提高了 CsYUC4 表達和生長素水平，進一步促進單性結實的形成（圖3）。單倍型分析發現，CsNPF1優異單倍型Hap2（CsNPF1Ser7）和CsYUC4優異單倍型Hap2（CsYUC4-383G）與黃瓜果實生長素水平和單性結實增強的表型相關（圖3）。以攜帶有弱單性結實等位基因 CsYUC4 -383A（與優異單倍型CsNPF1Ser7）的華南型黃瓜品種（11-67）為受體親本，以攜帶強單性結實等位基因 CsYUC4 -383G（與優異單倍型CsNPF1Ser7）的華北型黃瓜品種（1-5）為供體親本，雜交后連續自交多代培育出強單性結實的優良栽培黃瓜品種（11-67-32）。
圖3 黃瓜 CsNPF1 和 CsYUC4 的自然變異協同調控單性結實
此外，苦味是黃瓜馴化中的重要農藝性狀，其中 Bt 基因作為關鍵的苦味調控基因，其上游是否存在更高水平的馴化基因，目前未見報道。本研究發現，CsNPF1蛋白能夠直接結合 Bt 基因已知的重要馴化位點，抑制 Bt 的表達，降低黃瓜果實的苦味（降低黃瓜果實葫蘆素CuC含量）（圖4）。
圖4 黃瓜CsNPF1負調控果實苦味合成
以上系列研究結果表明，CsNPF1是黃瓜馴化調控網絡中的關鍵調節因子，能夠協同調控單性結實和果實苦味兩大重要性狀，深化了對黃瓜馴化過程的分子調控與遺傳機制的理解，為園藝作物遺傳改良和育種工作提供了重要思路與參考。
中國農業大學為該論文第一作者和第一通訊作者單位，中國農業大學聶靜博士后和天津市農業科學院黃瓜研究所/蔬菜生物育種全國重點實驗室黃洪宇副研究員為該論文共同第一作者，中國農業大學園藝學院/設施蔬菜生長發育調控北京市重點實驗室眭曉蕾教授、中國農業大學農學院孫傳清教授、青島農業大學園藝學院張忠華教授、中國農業大學園藝學院馬男教授為該論文的共同通訊作者。中國農業大學園藝學院林濤教授和清華大學武晟博士后提供了重要思路和指導，天津市農業科學院黃瓜研究所張利東副研究員、李禹鶴研究員等提供了重要支持和幫助。該研究得到國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃課題、中國博士后科學基金項目以及中國農業大學2115人才培育發展支持計劃等項目資助。