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王一
#BioArt植物#
自然界大多数植物的光合产物从源到库通过韧皮部运输碳水化合物以蔗糖为主，但有5%植物如西瓜等葫芦科作物是以棉籽糖系列寡糖[raffinose(Raf)familyoligosaccharides,RFOs]作为光合产物韧皮部运输的主要物质。上世纪60-80年代就已发现葫芦科等作物韧皮部运输的主要糖分是RFOs，但至今RFOs运输型植物库器官果实如何利用RFOs的分子机制这一个古老的科学问题尚不十分清楚。
年2月12日，北京市农林科学院许勇研究团队在植物学国际知名期刊ThePlantCell在线发表了题为Evolutionarygainofoligosaccharidehydrolysisandsugartransportenhancedcarbohydratepartitioninginsweetwatermelonfruits的研究论文（Renetal.,），解析了西瓜果实分解RFOs并转运到果肉细胞贮存的进化分子机制。ThePlantCell对该论文进行了评述推荐，高度肯定了团队在RFOs运输型植物碳水化合物分配与转运的分子机制研究上的系列工作。
已有的研究结果表明，RFOs运输到果实后水解并转运到果实细胞液泡储存糖分必须经历四个关键的环节：1）维管束运输的RFOs在西瓜果实韧皮部水解为蔗糖；2）水解产生的蔗糖在果实韧皮部的卸载到韧皮部外侧细胞间隙；3）果肉细胞质膜上糖转运蛋白将细胞间隙的糖分转运吸收到果肉细胞内；4）果肉细胞中糖分最终运输到果肉细胞液泡中完成存储。年许勇团队在PlantPhysiology发表论文(Renetal.,)，揭示了液泡膜糖转运蛋白TST2积累糖分的分子机制；年该团队又在NewPhytologist发文(Renetal.,)，报道了在半野生进化到栽培西瓜过程中，新型糖转运蛋白ClVST1通过膜定位的改变调节果实韧皮部糖分卸载。结合在ThePlantCell发表的最新成果（Renetal.,），该团队已全面系统地解析了西瓜果实“甜蜜”基因4个重要节点进化的分子机制。
在该研究中，研究团队巧妙地设计了野生和栽培西瓜幼嫩果实交互嫁接实验，首次明确了RFOs运输型植物西瓜果实是RFOs水解的主要器官，且在野生西瓜果实中存在RFOs“滞留”，通过驯化栽培西瓜茎伤流液中运输RFOs的能力大大强于野生西瓜。进一步采用GWAS、CRIPSR敲除和生化实验等技术手段，该研究证实了果实维管束表达的碱性α-半乳糖苷酶ClAGA2是RFOs水解的关键酶，其表达受到了转录因子ClNF-YC2调控。α-半乳糖苷酶ClAGA2基因启动子区间SNPs-(C-T)和-(C-T)位点与棉子糖含量高度关联，这2个SNP打断了野生西瓜中调控ClAGA2表达的转录因子ClNF-YC2识别位点，导致野生西瓜中ClNF-YC2不能激活ClAGA2表达，ClAGA2起到了快速水解果实库端韧皮部棉子糖系列寡糖为蔗糖的作用。下一步由韧皮部蔗糖转运蛋白ClVST1将蔗糖从韧皮部卸载下来(Renetal.,)。ClSWEET3将糖分跨果肉细胞质膜转运到细胞内，为液泡膜表达的糖转运蛋白ClTST2提供原料，最终ClTST2将糖分转运并储存到液泡中(Renetal.,)。
图1.西瓜果实碳水化合物分配、转运及糖分积累模式图进一步研究发现，西瓜野生祖先种的果实小、不能积累糖分，只有少量光合产物被分配到果实；半野生西瓜果实较大、含糖量中等，相对于祖先种野生西瓜，能更多积累光合产物。进化选择分析发现，ClAGA2是西瓜野生祖先种驯化到半野生西瓜过程中受到驯化选择的关键基因。半野生西瓜驯化成栽培西瓜过程中，在果实大小和果实糖含量方面进一步驯化和提升；三个糖转运蛋白ClVST1、ClSWEET3和ClTST2则是这一步驯化过程中受到选择的关键基因，且位于含糖量主效QTLs区域（Renetal.,）。上述结果表明，ClAGA2、ClVST1、ClSWEET3和ClTST2四个关键节点基因呈现分步进化与驯化的特征。其中，ClAGA2和糖转运蛋白ClVST1、ClTST2在野生、半野生和栽培材料之间均存在关键的变异位点，利用这些变异位点，研究团队进一步建立了利用西瓜野生高效转育高糖高品质的分子标记辅助育种技术体系（专利号或申请号：ZL.4,.8,10945909.X）。结合常规育种技术，该团队已培育出高品质硬脆果肉耐贮运的“京美”系列西瓜品种，既保持栽培西瓜果实糖含量高的优良品质，又从野生材料引入了抗病、硬脆果肉、抗裂耐储运等优异基因（图2）。“京美”系列西瓜品种实现了从东北、黄淮海到云南、缅甸等东南亚国家跨区域跨国境的生产与长途运输，累计推广面积超过万亩，推动了我国西瓜新一轮品种更新。
因此，解析西瓜果实“甜蜜”基因进化的分子机制，不仅阐明了RFOs运输型植物果实碳水化合物分配与转运分子机制的理论问题，也为野生西瓜资源的高效利用与高品质西瓜选育提供了分子辅助选择的工具，这一研究成为基础研究成果成功应用于育种实践、带动产业变革的经典案例。
图2.利用西瓜野生资源通过分子辅助育种技术选育抗病、硬脆果肉、抗裂耐贮运、高品质西瓜新品种“京美10K”。北京市农林科学院国家西甜瓜改良中心任毅副研究员为该论文的第一作者，许勇研究员和任毅副研究员为通讯作者。中国农业大学张小兰教授团队、德国马普研究所AlisdairR.Fernie教授团队和美国加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室HenrikV.Scheller教授团队参与了该研究。该项目由国家重点研发计划、国家自然基金委和北京市自然科学基金等项目的资助。
相关文献：
Ren,Y.,McGregor,C.,Zhang,Y.,Gong,G.,Zhang,H.,Guo,S.,Sun,H.,Cai,W.,Zhang,J.,andXu,Y.().Anintegratedgeneticmapbasedonfourmappingpopulationsandquantitativetraitlociassociatedwitheconomicallyimportanttraitsinwatermelon(Citrulluslanatus).BMCPlantBiol14:33.
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