近日，中国农业大学园艺学院张小兰团队在Plant Physiology发表了题为“SPATULA and ALCATRAZ confer female sterility and fruit cavity via mediating pistil development in cucumber”的研究论文，揭示了黄瓜中bHLH转录因子SPATULA（SPT）和ALCATRAZ（ALC）共同参与维持传输通道发育以及心皮融合的作用机制。
种子和果实对于植物的世代交替及人类的农业生产非常重要，双受精是种子产生的前提，其重要的一环涉及到快速生长的花粉管沿着雌蕊内的传输通道（Transmitting Tract）延伸将不可移动的精细胞从柱头运送至胚珠。这个传输通道从柱头通向子房底端，确定了花粉管的延伸路径，其长短和形态因果实类型而异。传输通道的受阻一定程度上影响雌蕊育性，空腔对于肉质果实是有害性状，这二者调控基因在黄瓜上从未被揭示。
该研究通过CRISPR-Cas9基因编辑技术同时靶向黄瓜CsSPT和CsALC基因获得了Csspt Csalc双突变体，经杂交分离又获得Csspt单突变体。Csspt雌蕊育性降低至野生型的60%；Csspt Csalc则完全败育，且雌蕊柱头形态异常，果实产生明显空洞。
Csspt Csalc突变体的雌蕊不育和果实空腔表型
进一步研究发现降低的育性是由传输结构的发育缺陷导致。Csspt雌蕊内传输通道的胞外基质（多糖物质）含量明显降低； Csspt Csalc则无胞外基质；且阿拉伯半乳聚糖蛋白（传输组织的一类重要糖蛋白）的分布在单双突变体中均明显减少。因此，传输通道的受阻/缺失导致了在柱头上萌发的花粉管较难/无法在雌蕊内延伸，由此造成了育性降低（Csspt）/丧失（Csspt Csalc）。同时，双突变体Csspt Csalc心皮边缘分生组织的分化异常也造成其传输组织处的细胞变得规整松散，随果实发育便会彼此分离从而产生空腔结构。另外，转录组分析显示参与细胞壁组织和生长素信号途径的基因在双突变体外翻且扁平的畸形柱头中发生显著变化，且拟南芥参与传输组织发育的NO TRANSMITTING TRACT (NTT)和BRASSINOSTEROID ENHANCED EXPRESSION (BEE)在黄瓜上的同源基因也显著下调。生化实验表明CsSPT和CsALC可以和自身及彼此之间发生蛋白互作。
CsSPT和CsALC维持黄瓜雌蕊顶端和内部传输组织发育的工作模型
综上，该研究揭示了CsSPT和CsALC协同决定雌蕊顶端柱头形态以及雌蕊内部花粉管延伸通道的发育，从而维持黄瓜的雌性育性和心皮融合的机制。中国农业大学张小兰教授、周朝阳副教授以及河北科技师范学院的闫立英教授为该论文的共同通讯作者，已毕业博士程志华为第一作者。本研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、北京市科技创新与服务能力建设重点学科等项目的资助。