葡萄无籽突变体花粉不育的分子机制解析：基于比较配子发生与基因组特征的研究

编辑推荐：本研究针对葡萄无籽性状形成的分子机制，通过比较杂交葡萄ARI 516及其无籽突变体的配子发生过程，结合转录组和全基因组测序技术，揭示了花粉不育与细胞分裂、赤霉素信号通路及细胞壁发育相关基因下调的关联性，发现25个杂合InDel变异，为葡萄无籽育种提供了关键靶点。

　　

葡萄作为全球重要的经济作物，其无籽品种因食用便利性和加工优势备受市场青睐。然而无籽性状的形成机制复杂，主要分为假受精型（stenospermocarpy）和单性结实型（parthenocarpy）两类，其中由花粉不育导致的单性结实机制研究相对薄弱。印度Agharkar研究所Ravindra Patil团队以γ射线诱变获得的葡萄品种ARI 516无籽突变体为材料，在《BMC Plant Biology》发表研究，系统解析了花粉不育的分子基础。

研究采用多组学联用策略：通过扫描电镜和亚历山大染色确认突变体花粉形态异常（19.7%正常率）和活力低下（13.1%）；利用Illumina HiSeq平台进行三发育阶段（E-L 15预开花期、E-L 23开花期、E-L 31浆果形成期）转录组测序；结合全基因组重测序（47X覆盖度）检测变异位点。关键发现如下：

1. 配子发生异常特征
   显微观察显示突变体花药绒毡层变薄且断裂，花粉数量减少48%。胚珠尺寸显著减小（长度605→479μm），证实雌雄配子体发育均受阻。外源GA₃处理可使突变体浆果增重，暗示赤霉素缺陷。

2. 转录组调控网络
   共鉴定4,354个差异基因（DEG），其中E-L 23花期下调基因富集于雄配子发育通路。关键下调基因包括：

• 细胞分裂相关：DUO POLLEN（-3.22倍）、SIDECAR POLLEN（-1.82倍）和有丝分裂周期蛋白
• 赤霉素通路：GA3ox4（-5.23倍）及14个bHLH转录因子
• 细胞壁修饰：FASCICLIN-LIKE ARABINOGALACTAN7（-6.21倍）、PECTATE LYASE（-6.08倍）
• 花粉管生长：PLASMA MEMBRANE ATPase（-23.87倍）、硼转运蛋白VvBOR（-5.42倍）

3. 基因组变异特征
   发现28个生殖发育相关InDel，包括3个纯合变异（FASCICLIN-LIKE ARABINOGALACTAN7等）和25个杂合变异（如PECTIN ACETYLESTERASE8）。这些变异导致AP2/ERF、bHLH等转录因子结合位点丢失。

研究创新性提出：γ射线诱变通过干扰GA₂ox1和GA3ox4介导的赤霉素代谢，引发bHLH转录因子网络失调，进而导致花粉细胞壁发育关键酶（如果胶裂解酶、纤维素合成酶）表达受阻，最终形成单性结实表型。该研究不仅为葡萄无籽育种提供了VvBOR、VvAGL11等候选靶点，建立的E-L发育阶段转录图谱更为果树生殖生物学研究提供了新范式。未来可通过CRISPR-Cas9对鉴定的InDel基因进行功能验证，推动无籽葡萄的精准分子设计育种。