西瓜（ Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. & Nakai）是世界上重要的果菜类经济作物。无籽西瓜因其食用方便、品质优、耐贮运等诸多优势成为国内外主栽类型之一。目前商品市场占比60%以上的无籽西瓜是通过以下两种途径获得：（1）传统四倍体母本和二倍体父本杂交选育产生三倍体无籽西瓜；（2）利用植物生长调节剂CPPU诱导形成未受精无籽西瓜。四倍体母本选育周期长、F1代种子产量低、成本高、萌发难和品质下降、消费者食品安全顾虑是分别制约无籽西瓜产业健康增产的主要限制因素。因此，研发二倍体无籽西瓜育种技术创新体系，加快无籽西瓜选育进程，提高生产效率，是助力无籽西瓜产业化节本增效的重大技术和产业需求。
前期该课题组在 New Phytologist 杂志首次报道了在西瓜自交系材料中，通过操控 SPOROCYTELESS （ SPL ） 基因阻断母本种子发育过程的手段，开发了一种新型有效的二倍体无籽西瓜育种技术体系。在此基础上，如何打破自交系材料限制，实现创制基因型不依赖的二倍体无籽西瓜技术体系研发的重大攻关，同时加大缩短创制周期的幅度，是无籽西瓜产业扩面提速的技术和产业焦点问题。
近日，袁黎教授课题组在 Nature Plants 在线发表了题为“A sexually and vegetatively reproducible diploid seedless watermelon inducer via ClHAP2 mutation”的论文。该研究首次创新研发了一种可自我繁殖通用型二倍体无籽西瓜诱导体系，利用该诱导系可成功实现基因型不依赖的二倍体无籽西瓜高效创制，为无籽西瓜高效生物育种提供了全新技术思路和产业解决策略，也为其他无籽果实作物高效创制提供了新的切入点。
双受精是种子形成的关键过程。本研究通过生物信息学方法分析、鉴定得到西瓜双受精关键调控基因 ClHAP2 （ HAPLESS2 ）。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除ClHAP2 ，创制了缺失富含组氨酸结构域（His-rich）的突变体 Clhap2 。突变体形态学和生理特征表型检测表明，其营养生长和花粉生理特性正常。 Clhap2 做母本与野生型WT杂交，种子发育正常。而 Clhap2 做父本与野生型杂交或自交时，表现果实无籽但可产生极少量种子的理想表型。半薄石蜡切片法细胞学精细表型检测，确认了无籽是精卵细胞无法正常融合所致。不同品种诱导实验结果证实 Clhap2 可诱导所有西瓜品种形成无籽果实，表明 Clhap2 诱导系不仅可自我繁殖，同时打破了基因型依赖。此外，为消除消费者对个别籽粒产生的食品安全顾虑，彻底分离掉了 Clhap2 后代中的T-DNA插入。
图1. Clhap2 介导的二倍体无籽西瓜诱导系
品质是否受影响是检验诱导系创制成功的另一核心标准。本研究利用植物生长调节剂CPPU诱导三种西瓜商品种‘LLW’、‘8424’、‘京母（JM）’，形态学和生理指标测定显示，无籽果实表现出歪果、裂果等形态异常和果肉硬度显著提高的突出问题，而 Clhap2 诱导的无籽果实与商品种自交果实相比上述指标无显著差异。本研究首创的二倍体无籽西瓜诱导系为加速二倍体无籽西瓜育种进程和生产规模化应用提供了全新技术视角。
已毕业博士陈鑫儿为该论文第一作者，瓜类作物种质资源与遗传育种团队袁黎教授为通讯作者。崖州湾国家种子实验室杨维才院士提供了宝贵建议。团队张显教授、刘曼副教授及田树娟和王家发老师参与了本研究。本研究得到国家重点研发计划（SQ2023YFE0201239）、国家青年人才计划（A279021801）、国家自然科学基金面上项目（32372734）、国家现代农业产业技术体系（CARS-25）、广东省重点研发计划项目（2022B0202060001）、陕西省重点研发计划（2023-YBNY-008）和陕西省自然科学基金（2022JM-112）的资助。
图2. 利用二倍体无籽西瓜诱导系 Clhap2 创制无籽西瓜示意图
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01799-5
