Plant Cell | 青島農業大學張忠華/柴森團隊創建甜瓜集成化基因研究新體系，加速功能基因與分子育種研究

甜瓜（Cucumis melo L.）是世界十大水果之一，也是果實發育與性別決定研究的優選模式植物，兼具重要經濟價值與研究價值。然而，由于遺傳多樣性異常豐富、關鍵農藝性狀受多效基因調控，加之長期缺乏系統完整的功能基因解析體系，導致其功能基因研究與分子育種進展相對滯后。因此，亟需高質量的基礎研究資源與創新平臺來推動突破。

近日，青島農業大學瓜類生物學張忠華/柴森團隊與新疆維吾爾自治區農業科學院等單位合作在國際知名期刊The Plant Cell（自然指數期刊）在線發表了題為A comprehensive omics resource and genetic tools for genetic research and precision breeding of Cucumis melo ssp. agrestis的研究論文，該研究基于薄皮栽培種質13C, 構建了包含T2T基因組、全組織的轉錄組圖譜、重測序近飽和EMS突變體庫以及穩定遺傳轉化技術等工具的甜瓜綜合功能基因研究體系，并挖掘多個農藝性狀的關鍵功能基因，為甜瓜功能基因研究與分子育種提供了理論和技術支持。

研究團隊以優良栽培高代自交系13C為研究對象，利用PacBio HiFi、ONT超長讀長和Hi-C等多種測序技術，成功組裝出375.64 Mb的高質量端粒到端粒（T2T）甜瓜參考基因組。該基因組包含12個著絲粒和24個端粒，BUSCO完整度高達98.5%，并首次對甜瓜中難以組裝的45S rDNA區域進行了準確拷貝數估算，揭示其在栽培型和野生型之間存在顯著差異（圖1）。

圖1 甜瓜13C T2T基因組

為揭示組織特異表達與果實發育動態，研究團隊繪制了覆蓋根、莖、葉、花及不同果實時期的31份組織轉錄圖譜。通過基因共表達網絡分析，識別出多個組織特異性表達模塊并對其轉錄特征進行解析，同時構建了甜瓜果實成熟過程的轉錄調控網絡，為揭示果實發育中關鍵生物過程的轉錄調控機制提供了重要見解（圖2）。

圖2 甜瓜13C全組織轉錄圖譜

為了加速功能基因挖掘，研究團隊以13C為親本構建了飽和EMS突變體庫，通過對約8000株M1和M2代植株的觀察，鑒定了一系列果實、株型、性別等性狀的突變體，并探究了突變資源的遺傳規律。隨后團隊對其中1125個M2家系進行了高深度全基因組測序（平均27.6×），共鑒定約62萬SNP和3.9萬InDel，突變類型以C/G到T/A為主（83.7%）。通過注釋分析，突變位點覆蓋了注釋基因的97.33%，實現了甜瓜重測序近飽和EMS突變體庫的構建（圖3）。

通過整合以上資源，團隊成功通過正向遺傳定位克隆了多個關鍵農藝性狀的核心調控基因，包括調控甜瓜性別決定的CmWIP1、影響果實心室數的CmCIK2以及參與葉酸生物合成的CmACDS。針對薄皮甜瓜貨架期短的問題，研究團隊結合轉錄數據及突變資源利用反向遺傳學，確定了果實成熟關鍵基因CmNAC-NOR在薄皮甜瓜中的功能，并在13C材料中建立了穩定的基因編輯體系，成功利用CRISPR技術及突變資源創制不同成熟期的種質資源，為薄皮甜瓜延長貨架期提供了新的育種材料。

圖3 13C EMS突變體庫的構建

為推動這些科研資源的共享與利用，團隊同步推出了Melon Information Resource（MIR）平臺。該平臺集成基因組、突變體、轉錄組及基因編輯設計工具等（圖4）。MIR的推出，不僅為甜瓜功能基因研究提供了關鍵數據工具支撐，也為全球甜瓜分子設計育種帶來了新的機遇。

圖4 Melon Information Resource（MIR）：甜瓜功能基因研究平臺

中國農業科學院農業基因組研究所博士后許愿超、新疆維吾爾自治區農業科學院生物育種實驗室劉斌研究員、青島農業大學園藝學院在讀博士研究生李陽、陳新秀、青年教師閆超為論文共同第一作者，青島農業大學園藝學院張忠華教授、柴森副教授為論文通訊作者。團隊成員、中國農科院蔬菜所孫進京研究員、新疆農科院張學軍研究員等為該項工作提供巨大支持。該研究得到了國家自然科學基金、新疆自治區區域協同創新專項（上合國際合作計劃）、 山東省人民政府“泰山學者”基金及山東省自然科學基金的資助支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf272

甜瓜功能基因研究平臺鏈接：

https://zhanglab.qau.edu.cn/melon/index.php