北京市农林科学院蔬菜研究所西瓜遗传育种团队破解NAC转录因子NOR调控非呼吸跃变型西瓜果实成熟进化的分子机制

近日，北京市农林科学院蔬菜所西瓜课题组在植物学国际知名期刊The Plant Cell在线发表了题为A natural variant of NON-RIPENING promotes fruit ripening in watermelon的研究论文，该研究阐明了NAC转录因子ClNOR及其自然变异位点调控西瓜果实成熟进化的机制。
 
　　果实成熟分为呼吸跃变型和非呼吸跃变型两种类型。在番茄为代表的呼吸跃变型模式作物上，陆续挖掘出调控呼吸跃变型果实成熟关键因子NAC转录因子NOR，MADS-box转录因子RIN等明星基因，逐步完善了其调控果实成熟的作用机制。基于这些基因开发的相关标记已在育种上得以应用，乙烯利与1-MCP等生长调节剂也在产业上得到了广泛实际应用。相较于呼吸跃变型果实，调控非呼吸跃变型果实成熟的关键基因及其进化分子机制长期未能破解。西瓜是典型的非呼吸跃变果实，通过进化与人为选择，由非洲起源的野生西瓜进化为瓤色鲜艳、口感酥脆、含糖量高的栽培西瓜，其进化分子机制是改良与提高西瓜品质的理论基础，但控制西瓜果实成熟进化的主导转录因子及其分子机制尚不清楚。
 
　　本研究通过分析414份代表性西瓜的重测序数据发现，共有9个NAC转录因子在西瓜成熟进化阶段受到选择。其中四个NAC基因ClNAC53, ClNAC56, ClNAC68和ClNAC100，位于品质提高进化阶段，且在果肉中高量表达。将四个基因分别敲除后发现，只有Clnac56突变体果实品质显著降低。无独有偶，进化树分析发现，ClNAC56正是番茄SlNOR的同源基因，因此将该基因命名为ClNOR。ClNOR如何参与调控西瓜果实成熟以及自然变异位点在西瓜果实成熟进化过程中起怎么样的作用是本项研究核心问题。
 
　　首先利用基因编辑技术验证其功能，敲除ClNOR，西瓜果实成熟显著推迟，果实含糖量、番茄红素含量及ABA含量均显著下降。进一步通过DAP-seq分析发现，ClNOR不能直接结合果实成熟相关功能基因，如ABA合成基因ClNCED1，番茄红素合成基因ClPSY1，有色体发育基因ClPHT4;2以及西瓜果实糖含量基因ClAGA2等。这与番茄SlNOR直接靶向决定果实成熟关键功能基因的机制不同。结合转录组分析进一步挖掘到ClbZIP1是连接ClNOR与ABA合成基因ClNCED1和有色体发育关键基因ClPHT4;2的关键转录因子。敲除Clbzip1果实成熟推迟，品质显著下降。与Clnor杂交，获得的Clnor Clbzip1双突体其推迟果实成熟的表型比clbzip1单突变体更为显著，但与Clnor单突变体表型无显著差异。上述实验证实ClNOR通过介导ClbZIP1来调控ClNCED1和ClPHT4;2表达，进而促进西瓜果实ABA积累和瓤色形成。同时，ClNOR通过ClNOR-ClNF-YC2-ClAGA2模块来调控果实含糖量的机制。
 
　　本研究进一步开展了ClNOR自然变异位点调控下游基因的机制研究，通过单倍型分析发现，ClNOR转录激活区域存在两个自然变异位点，产生了三种单倍型，即栽培类型ClNORT,T, landrace类型ClNORC,T和祖先类型 ClNORC,G。生物膜干涉实验及双萤光素酶实验明确栽培类型ClNORT,T对靶基因ClbZIP1的转录激活作用显著高于landrace类型ClNORC,T和祖先类型ClNORC,G。回补番茄Slnor基因编辑突变体发现，只有栽培类型ClNORT,T能够恢复Slnor成熟推迟的表型，landrace类型ClNORC,T和祖先类型ClNORC,G则不能恢复。这进一步证实了ClNOR自然变异位点（564,T/C）通过增强对靶基因的激活作用来促进果实成熟。
 
　　非呼吸跃变型果实还包含包括柑橘、葡萄、草莓、辣椒等许多重要水果蔬菜，种植面积与产量约占全球果蔬一半以上，但由于大部分作物还存在无性繁殖以及遗传转化困难等难题，一直限制了非呼吸跃变型果实成熟进化机制研究进展。本研究首次系统阐明了NAC转录因子ClNOR调控非呼吸跃变型西瓜果实成熟进化的分子机制，必将推动非呼吸跃变型果实成熟与品质形成研究引向深入。
 
　　我院蔬菜研究所王晋芳副研究员和于泳涛副研究员为该论文第一作者，许勇研究员为通讯作者。团队郭绍贵研究员、张洁研究员、任毅研究员等做出突出贡献。感谢中国农业大学傅达奇教授团队提供的番茄slnac-nor基因编辑突变体及对本文提出的宝贵意见。本研究受到国家自然科学基金、北京市农业局项目，北京市农林科学院优秀青年等项目的资助。
 
　　论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae313



日期：2024-12-04