蔬菜种质资源创新与新品种选育团队在辣椒功能性雄性不育研究中取得进展

近期，四川农业大学园艺学院蔬菜种质资源创新与新品种选育团队在N1级自然指数期刊《PLOS Genetics》上发表了题为“CaZAT5 delays the flowering time in tomato and affects pollen viability and anther dehiscence”的研究论文。2022级蔬菜学博士研究生肖家昶、2022级果树学博士研究生杨敏和2024级蔬菜学硕士研究生杨竣淇为该论文的共同第一作者，蔬菜学系李焕秀教授为通讯作者。唐懿教授、孙勃教授、郑阳霞教授和黄志副教授也参与了相关研究工作。

辣椒是重要的茄科园艺作物，利用雄性不育系进行杂交制种，是提高其制种效率与种子纯度的关键。雄性不育主要包括细胞质雄性不育（CMS）和核雄性不育（GMS），通常与花药绒毡层发育异常有关。其中，功能性雄性不育是一种特殊类型，其花粉本身可育，但因花药不能正常开裂而导致不育。功能性雄性不育在育种应用中无需保持系，且便于恢复育性，因而具有独特优势。然而，花药开裂是一个受多基因精密调控的复杂生物学过程，目前在辣椒中相关遗传网络与关键基因仍不清楚，这极大限制了功能性雄性不育在育种中的开发与应用。本研究在辣椒中发现CaZAT5可以通过调控开花和碳水化合物代谢相关基因的表达来影响开花时间，花粉发育和花药开裂。这些发现进一步加深了CaZAT5在调控开花时间和雄性育性方面潜力的理解。

研究亮点

1.CaZAT5通过抑制开花整合因子CaSOC1的表达来延迟开花。

2.在番茄中过表达CaZAT5会产生形态异常且活力低下的花粉，同时抑制花粉成熟过程中花药的开裂，导致花粉无法正常释放。

3.CaZAT5通过抑制细胞壁降解相关基因的表达，阻碍花药正常开裂。

4.较低的花粉活力和花药无法正常开裂共同导致番茄坐果率和产量的降低。

研究结论

1.通过DAP-seq、Y1H、Dual-LUC和EMSA试验证明了CaZAT5可以靶向负调节开花调节因子CaSOC1的表达（图1）。

图1 CaZAT5靶向负调节CaSOC1的表达

2.过表达CaZAT5促进了番茄植株的营养生长，但抑制了番茄的生殖生长（坐果率和产量）（图2）。

图2 过表达CaZAT5促进营养生长，降低坐果率和产量

3.过表达CaZAT5降低了番茄的花粉萌发率，扫描电镜结果显示，过表达CaZAT5番茄的成熟花粉粒有三种表型，分为正常型、膨胀型和皱缩型。其中，正常花粉粒仅占19.24%（图3）。

图3 过表达CaZAT5影响花粉发育，降低花粉活力

4.过表达CaZAT5植株自花授粉的坐果率仅为5.71%-16.92%，明显低于CaZAT5-OE2（♂）植株与WT植株（♀）杂交的坐果率（41.6%）。进一步研究发现CaZAT5-OE1和OE2植株花药开裂时期花药的药隔和药室内壁未能正常降解，最终导致花粉粒无法正常释放（图4）。

图4 过表达CaZAT5影响番茄的花药开裂

论文链接：

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1012016

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