乙烯信号通路通过CsCYP707A4和CsTL介导黄瓜分枝与卷须发育的拮抗调控机制

《Nature Communications》：Ethylene promotes branch formation but inhibits tendril development in cucumber

本研究揭示了乙烯在黄瓜营养生长中的新功能：通过CsEIN2和CsEIN3/CsEIL1信号通路，正向调控分枝形成而负向调控卷须发育。研究人员发现CsEIN3可直接激活CsCYP707A4表达促进ABA降解诱导分枝，同时抑制CsTL表达抑制卷须发育。该发现为作物株型改良提供了新靶点。

　　

在设施农业蓬勃发展的今天，作物株型设计已成为提高栽培效率的关键。黄瓜作为重要的瓜类作物，其分枝和卷须的发育调控直接关系到产量形成和栽培成本。传统栽培中，种植者常面临两难选择：丰产型品种分枝过多导致田间郁蔽，而少分枝品种又往往卷须发育不足影响攀援生长。这种营养器官发育的拮抗关系背后隐藏着怎样的调控密码？植物激素乙烯在其中扮演着什么角色？这些问题一直困扰着研究者。

日前发表于《Nature Communications》的研究论文首次系统揭示了乙烯信号通路在黄瓜分枝和卷须发育中的双重调控作用。北京蔬菜研究中心的张筱菲、朱彤等研究者发现，乙烯如同一位精准的“植物建筑师”，通过剂量依赖的方式促进分枝形成同时抑制卷须发育。这一发现不仅深化了我们对植物激素调控网络的认识，更为作物理想株型设计提供了新的理论依据。

研究者采用了一套完整的技术体系来解析这一复杂调控网络。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了CsEIN2、CsEIN3和CsEIL1的单突变体和双突变体；利用转录组测序(RNA-seq)和代谢组学分析筛选下游靶基因；通过DNA亲和纯化测序(DAP-seq)鉴定转录因子结合 motif；运用凝胶阻滞实验(EMSA)、酵母单杂交(Y1H)和双荧光素酶报告系统验证蛋白质-DNA互作；同时建立了完善的表型观测系统，对不同发育阶段的分枝和卷须进行量化分析。

乙烯相反地调控黄瓜分枝和卷须发育

外源乙烯处理实验显示，乙烯处理30天的黄瓜植株分枝数显著增加，特别是在第2-6节位，分枝数增加1.6倍。相反，卷须发育受到明显抑制，卷须数量和总长度分别减少30%和26%。这种剂量依赖的调控模式在不同基因型黄瓜中均得到验证，表明乙烯对分枝和卷须的拮抗调控具有普遍性。

CsEIN2、CsEIN3和CsEIL1参与分枝和卷须发育的调控

基因编辑突变体分析发现，Csein2突变体的分枝数减少约94%，几乎不产生侧枝；Csein3和Cseill单突变体的分枝数分别减少34%和40%；而Csein3/Cseill双突变体的分枝表型更为严重。在卷须发育方面，突变体表现出相反的趋势：Csein2和Csein3/Cseill双突变体的卷须数量是野生型的三倍。CsEIN3过表达植株则呈现更多分枝、更少卷须的表型，进一步验证了乙烯信号通路的核心作用。

转录组和代谢组分析探索乙烯通路靶点

转录组分析鉴定出133个共享差异表达基因，其中包括已报道的分枝相关基因CsCYP707A4和卷须发育关键基因CsTL。代谢组数据显示，Csein2和Csein3/Cseill突变体中脱落酸(ABA)和生长素(IAA)含量显著升高，而乙烯处理后这两种激素含量下降。这些结果表明ABA和IAA可能参与了乙烯调控分枝和卷须发育的过程。

CsEIN2和CsEIN3/CsEIL1诱导CsCYP707A4表达促进分枝发育

乙烯处理能恢复Csein3和Cseill单突变体的分枝缺陷表型，但对Csein2和Csein3/Cseill双突变体无效。分子机制研究表明，CsEIN3可直接结合CsCYP707A4启动子的p1元件，激活其转录。CsCYP707A4作为ABA代谢关键基因，其表达上调导致ABA含量下降，从而促进分枝形成。相关性分析显示，分枝数量与CsCYP707A4表达水平呈显著正相关(r=0.9432)。

CsEIN2和CsEIN3/CsEIL1抑制CsTL表达抑制卷须发育

同样，乙烯对卷须的抑制作用也依赖于完整的乙烯信号通路。CsEIN3可直接结合CsTL启动子的p1元件，但发挥转录抑制作用。在CsEIN3过表达植株中，CsTL表达显著下调，卷须发育受到抑制。相关性分析表明，卷须数量与CsTL表达水平密切相关。

研究结论部分，作者提出了一个完整的调控模型：高水平乙烯通过CsEIN3激活CsCYP707A4表达并抑制CsTL表达，导致ABA和IAA含量降低，最终促进分枝形成而抑制卷须发育；低水平乙烯则产生相反效应。这种剂量依赖的调控模式为不同栽培需求提供了灵活的选择方案：城市农业需要分枝丰富的紧凑株型，而高密度栽培则需要少分枝品种以提高光能利用率。

该研究的创新性在于首次揭示了乙烯信号通路在黄瓜营养器官发育中的双重调控功能，发现了CsEIN3同时作为转录激活子和抑制子的新颖机制。研究建立的“理想株型设计”模型，为作物育种提供了理论指导和技术路径，在提高农作物栽培效率和适应多样化种植模式方面具有重要应用价值。