近日，青島農業大學園藝學院院長張忠華教授與中國農業科學院蔬菜花卉研究所孫進京副研究員進行合作，聯合中國農業科學院深圳農業基因組研究所，首次發現黃瓜中全雌基因（Female）是獲得新功能的基因ACS1G，並深入研究了其作用機制，提出了黃瓜雌花和雄花多樣性發育的分子模型。相關研究內容『Gain-of-function of the 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase gene ACS1G induces female flower development in cucumber gynoecy』於12月2日在線發表於《The Plant Cell》上。
報導情況
黃瓜是重要的蔬菜作物，可食用部分是由雌花發育形成的果實，雌花率是影響產量的關鍵性狀。此外，雌花和雄花在不同黃瓜中的分布豐富多樣，表現為全雄、全雌、雌雄同株等多種形式，一直是研究單性花發育調控機制的重要模式植物。因此，研究黃瓜雌花和雄花形成的分子機制具有重要的應用價值和科學意義。已有研究顯示F、M、A三個基因是黃瓜雌花和雄花形成的關鍵基因，其中A和M基因相繼被克隆，均是乙烯合成途徑中的關鍵酶，分別編碼 ACS11和 ACS2。F基因是黃瓜的顯性全雌基因（Female），在生產中被廣泛用於提高黃瓜產量，張忠華教授通過分析黃瓜基因組的結構變異，發現一段30.2 kb序列的串聯重複導致了F基因的產生（Zhang et al. Plant Cell, 2015）,但串聯重複序列中究竟哪個基因或元件導致全雌花產生仍然是一個疑問。
在前期工作的基礎上，研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術和EMS誘變相結合，首次證實了F基因是ACS1G基因，而不是重複序列中的 MYB 家族轉錄因子。由於基因組的結構變異，ACS1G獲得了不同於雌雄同株材料中ACS1的啟動子和新的表達模式，ACS1G在花芽發育早期與 ACO2基因的重疊表達，使ACS1G獲得了決定雌花形成的功能。由於ACS1G 基因在早期花芽中的表達不像 ACS11一樣具有選擇性，所以所有花芽都發育成雌花，這也解釋了F基因上位於隱性全雄基因（androecious）的原因。
雌雄同株黃瓜植株和轉基因（ACS1G）全雌花植株
黃瓜雌花和雄花發育分子模型
此項研究完整地解釋了黃瓜單性花調控的FAM模型，並整合了近年來孫進京克隆的 ACO2和 WIP1等單性花調控基因，結合基因時空表達特異性和不同基因間的遺傳關係，提出了一個完整的黃瓜單性花發育調控模型，豐富了葫蘆科植物單性花調控的網絡，對於培育高產瓜類作物也有重要指導意義。
中國農業科學院蔬菜花卉研究所博士研究生、青島農業大學園藝學院教師張慧敏，中國農業科學院蔬菜花卉研究所博士研究生李帥，深圳農業基因組所博士後、華中農業大學教師楊麗，深圳基因組所研究人員蔡廣華為論文第一作者。中國農業科學院蔬菜花卉研究所副研究員孫進京和青島農業大學園藝學院張忠華教授為共同通訊作者，中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文研究員對該項目進行總體把關和指導。湖南省蔬菜研究所陳惠明研究員、北京大學白書農教授、西北農林科技大學李徵教授、上海交通大學蔡潤教授、加州大學戴維斯分校William Lucas教授等也參與了該項目的完成。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、農科院創新工程、深圳市孔雀團隊、山東省泰山學者等項目的資助。
扛牢「農業大省」責任、打造「鄉村振興齊魯樣板」，是習近平總書記交付山東的重要任務，是山東服務國家戰略、實現高質量發展的第一要務。青島農業大學所處的山東半島是我國糧食、果蔬、花茶、海產品傳統優勢主產區，是「京滬菜籃子」所在地，有近千平方公裡黃河灘區，安全保供、優質保供和高質量發展任務重大。
近年來，學校圍繞國家、省市重大戰略需求進行學科布局，其中，作為學校傳統優勢學科、對有「煙臺蘋果萊陽梨」「全國蔬菜看壽光」美譽的果蔬產業主產、優勢區實現長達30年科技支撐的園藝學科，發展勢頭強勁，形成了鮮明特色，在瓜類作物功能基因挖掘及其育種應用方面走在世界前列，在高效育種技術創新、綠色生產防控、品質安全與質量控制方面特色鮮明。該學科以滿足人民對美好生活的嚮往為己任，著力保障「菜籃子」供給安全，提升園藝產業規模化、集約化、標準化水平，不斷加大對農業產業的科技和人才支撐力度，滿足人民對美好生活的需求。
該學科帶頭人、園藝學院院長張忠華教授已在《Nature》《Science》《Nature Genetics》等期刊發表多篇高水平論文，獲中國青年科技獎。
2019年11月2日，張忠華教授作為論文共同第一作者參與的科研成果在《Nature Genetics》發表。該研究對目前世界上數量最大、涵蓋類型最全的1184份甜瓜種質資源（近緣種、野生種及栽培種）進行5倍左右的深度全基因組重測序，獲得了約4.3Tb的數據，共發掘了甜瓜全基因組範圍內560餘萬個SNPs標記和95萬個indel（5bp以內）標記，成功構建了世界上第一個甜瓜全基因組變異圖譜。
報導情況
據張忠華教授介紹，該研究成果是我國在甜瓜基因組學和群體遺傳學研究領域取得的重大進展，為深化葫蘆科進化研究提供了重要依據，為甜瓜重要性狀定向育種提供了較為精準的標記和基因資源。
甜瓜的馴化和多樣性
《Nature Genetics》期刊高度重視此成果和同時發表的西瓜基因組研究成果，同期配發了德國萊布尼茲植物遺傳研究所Martin Mascher教授等人撰寫的以「甜瓜和西瓜的甜蜜基因」為題的專評和以「甜蜜測序」為題的社論。專評指出，兩項研究利用群體基因組和數量遺傳工具，揭示了馴化如何改變西甜瓜的果實品質。社論認為，基因組學正在加速我們對自己喜愛食物（包括西甜瓜）的起源、進化和生物學的理解，指出農業基因組學旨在提高人類賴以生存的農作物的產量和品質，將會帶來「甜蜜」的回報。
甜瓜和西瓜的馴化歷史
2019年11月14日，國際權威學術期刊《自然通訊（Nature Communications）》在線發表了冬瓜基因組和變異組研究成果，青島農業大學園藝學院張忠華教授為論文通訊作者，負責整個項目的構思、設計和組織。
報導情況
研究闡明了黃瓜、甜瓜、西瓜、葫蘆、冬瓜和南瓜等瓜類作物的基因組演化歷史，揭示了冬瓜等果實在馴化和育種改良過程中由小變大的分子機制。該研究不僅為葫蘆科進化和物種形成提供了新見解，而且為冬瓜等瓜類作物分子生物學研究和全基因組設計育種奠定了基礎，具有重要的科學和應用價值。
冬瓜分化和馴化歷史
瓜類作物基因組演化