西瓜（ Citrullus lanatus ）是世界重要的园艺经济作物。无籽西瓜因其食用方便、品质优良和货架期长等优点深受生产者和消费者青睐，是目前国内外主栽类型之一。商品市场50%以上的无籽西瓜是通过四倍体母本和二倍体父本杂交选育获得。受四倍体母本选育周期长及三倍体无籽性状产生原理所限，三倍体无籽西瓜实际生产存在育种周期长、F1代种子产量低、成本高、发芽难等诸多突出限制因素。因此，研发二倍体无籽西瓜育种技术体系，快速创制二倍体无籽西瓜，是有效弥补三倍体无籽西瓜生产短板，完善无籽西瓜生产体系，推动二倍体无籽西瓜产业化扩面提速的迫切需求。
近日，袁黎教授课题组在New Phytologist上发表了题为 Establishing a highly efficient diploid seedless watermelon production system through manipulation of the SPOROCYTELESS gene 的研究论文。该研究成功开发了一种通过操控 SPOROCYTELESS 基因高效生产二倍体无籽西瓜的分子育种新技术，为加快选育推广生产急需的二倍体无籽西瓜新品种提供了技术和理论支撑。
本研究通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，靶向敲除种子形成四个重要发育阶段（孢子母细胞分化、减数分裂发生、雌配子形成和胚胎发生）的关键调控基因 ClSPL 、 ClSPO11-2 、 ClCKI1 和 ClLEC2 ，突变体表型结果显示， Clspl 突变体生殖发育停滞在孢子母细胞分化时期，雌雄配子无法正常产生，用野生型花粉对其授粉，其果实大小和单果重不受影响，成熟果实无任何种子产生； Clspo11-2 减数分裂I前期同源染色体重组发生缺陷，雌雄配子败育，野生型对其授粉后成熟果实果型变小，单果重较野生型减少14%，只有少量败育种子形成； Clcki1 雄配子不受影响，雌配子发生败育，自交授粉，果实大小和单果重均未发生改变，成熟果实中有败育种子形成。 Cllec2 雌雄配子均不受影响，自交授粉，胚胎发生败育，果实大小和单果重均未发生改变，然而成熟果实中有大量败育种子形成。细胞学水平表型检测及种子数量统计结果分析表明，二倍体西瓜的无籽效果与其生殖发育阻断时期相关，阻断时期越早，无籽效果越明显，敲除孢子母细胞发育分化关键调控基因 ClSPL ，则可以产生保留其他优良性状的二倍体完全无籽西瓜。
图1 二倍体无籽西瓜的创制
本项研究成功筛选出 ClSPL 作为利用分子手段创制二倍体无籽西瓜的最佳候选基因，此外，以便后续筛选无籽性状西瓜，节约育种成本，开发了Indel分子标记。通过杂合编辑植株 ClsplRF-1/+ T0代植株自交授粉，结合分子标记辅助筛选获得T1代纯合编辑植株 ClsplRF/ClsplRF ，田间试验证实利用野生型花粉对其授粉时，能够不断产生无籽西瓜。本研究利用 ClSPL 基因介导法创制的二倍体无籽西瓜，具有育种周期短、种子可繁殖、保留种质原有优良性状、无转基因修饰等诸多优势。这项新的技术体系为无籽西瓜创制提供了新的策略，为葫芦科及其他果实作物的无籽果实创制提供了重要参考方法。
图2 二倍体无籽西瓜创制示意图
学院博士后姜娇为该论文第一作者，瓜类作物种质资源与遗传育种团队/作物抗逆与高效生产全国重点实验室袁黎教授和田树娟老师及东北农业大学园艺学院遗传改良重点实验室刘识副教授为共同通讯作者，张显教授提供了重要的指导和支持。该研究得到国家自然科学基金联合重点项目（U23A20208）、国家青年人才计划（A279021801）、国家重点研发计划项目（2023YFE0206900）、国家自然科学基金面上项目（32372734）和陕西省重点研发计划项目（2023-YBNY-008，2024NC-YBXM-032）的资助。
文章链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.20108
