責編 | 王一
自然界大多數植物的光合產物從源到庫通過韌皮部運輸碳水化合物以蔗糖為主，但有5%植物如西瓜等葫蘆科作物是以棉籽糖系列寡糖[raffinose (Raf) family oligosaccharides, RFOs] 作為光合產物韌皮部運輸的主要物質。上世紀60-80年代就已發現葫蘆科等作物韌皮部運輸的主要糖分是RFOs，但至今RFOs運輸型植物庫器官果實如何利用RFOs的分子機制這一個古老的科學問題尚不十分清楚。
2021年2月12日，北京市農林科學院許勇研究團隊在植物學國際知名期刊The Plant Cell在線發表了題為Evolutionary gain of oligosaccharide hydrolysis and sugar transport enhanced carbohydrate partitioning in sweet watermelon fruits的研究論文（Ren et al., 2021），解析了西瓜果實分解RFOs並轉運到果肉細胞貯存的進化分子機制。The Plant Cell對該論文進行了評述推薦，高度肯定了團隊在RFOs運輸型植物碳水化合物分配與轉運的分子機制研究上的系列工作。
已有的研究結果表明，RFOs運輸到果實後水解並轉運到果實細胞液泡儲存糖分必須經歷四個關鍵的環節：1）維管束運輸的RFOs在西瓜果實韌皮部水解為蔗糖；2）水解產生的蔗糖在果實韌皮部的卸載到韌皮部外側細胞間隙；3）果肉細胞質膜上糖轉運蛋白將細胞間隙的糖分轉運吸收到果肉細胞內；4）果肉細胞中糖分最終運輸到果肉細胞液泡中完成存儲。2018年許勇團隊在Plant Physiology發表論文 (Ren et al., 2018)，揭示了液泡膜糖轉運蛋白TST2積累糖分的分子機制；2020年該團隊又在New Phytologist發文 (Ren et al., 2020)，報導了在半野生進化到栽培西瓜過程中，新型糖轉運蛋白ClVST1通過膜定位的改變調節果實韌皮部糖分卸載。結合在The Plant Cell發表的最新成果（Ren et al., 2021），該團隊已全面系統地解析了西瓜果實「甜蜜」基因4個重要節點進化的分子機制。
在該研究中，研究團隊巧妙地設計了野生和栽培西瓜幼嫩果實交互嫁接實驗，首次明確了RFOs運輸型植物西瓜果實是RFOs水解的主要器官，且在野生西瓜果實中存在RFOs「滯留」，通過馴化栽培西瓜莖傷流液中運輸RFOs的能力大大強於野生西瓜。進一步採用GWAS、CRIPSR敲除和生化實驗等技術手段，該研究證實了果實維管束表達的鹼性α-半乳糖甘酶ClAGA2是RFOs水解的關鍵酶，其表達受到了轉錄因子ClNF-YC2調控。α-半乳糖甘酶ClAGA2基因啟動子區間SNPs -159 (C-T)和-170 (C-T) 位點與棉子糖含量高度關聯，這2個SNP打斷了野生西瓜中調控ClAGA2表達的轉錄因子ClNF-YC2識別位點，導致野生西瓜中ClNF-YC2不能激活ClAGA2表達，ClAGA2起到了快速水解果實庫端韌皮部棉子糖系列寡糖為蔗糖的作用。下一步由韌皮部蔗糖轉運蛋白ClVST1將蔗糖從韌皮部卸載下來 (Ren et al., 2020)。ClSWEET3將糖分跨果肉細胞質膜轉運到細胞內，為液泡膜表達的糖轉運蛋白ClTST2提供原料，最終ClTST2將糖分轉運並儲存到液泡中 (Ren et al., 2018)。
圖1. 西瓜果實碳水化合物分配、轉運及糖分積累模式圖
進一步研究發現，西瓜野生祖先種的果實小、不能積累糖分，只有少量光合產物被分配到果實；半野生西瓜果實較大、含糖量中等，相對於祖先種野生西瓜，能更多積累光合產物。進化選擇分析發現，ClAGA2是西瓜野生祖先種馴化到半野生西瓜過程中受到馴化選擇的關鍵基因。半野生西瓜馴化成栽培西瓜過程中，在果實大小和果實糖含量方面進一步馴化和提升；三個糖轉運蛋白ClVST1、ClSWEET3和ClTST2則是這一步馴化過程中受到選擇的關鍵基因，且位於含糖量主效QTLs區域（Ren et al., 2014）。上述結果表明，ClAGA2、ClVST1、ClSWEET3和ClTST2四個關鍵節點基因呈現分步進化與馴化的特徵。其中，ClAGA2和糖轉運蛋白ClVST1、ClTST2在野生、半野生和栽培材料之間均存在關鍵的變異位點，利用這些變異位點，研究團隊進一步建立了利用西瓜野生高效轉育高糖高品質的分子標記輔助育種技術體系（專利號或申請號：ZL201610055412.4, 201911021073.8, 202010945909.X）。結合常規育種技術，該團隊已培育出高品質硬脆果肉耐貯運的「京美」系列西瓜品種，既保持栽培西瓜果實糖含量高的優良品質，又從野生材料引入了抗病、硬脆果肉、抗裂耐儲運等優異基因（圖2）。「京美」系列西瓜品種實現了從東北、黃淮海到雲南、緬甸等東南亞國家跨區域跨國境的生產與長途運輸，累計推廣面積超過400萬畝，推動了我國西瓜新一輪品種更新。
因此，解析西瓜果實「甜蜜」基因進化的分子機制，不僅闡明了RFOs運輸型植物果實碳水化合物分配與轉運分子機制的理論問題，也為野生西瓜資源的高效利用與高品質西瓜選育提供了分子輔助選擇的工具，這一研究成為基礎研究成果成功應用於育種實踐、帶動產業變革的經典案例。
圖2. 利用西瓜野生資源通過分子輔助育種技術選育抗病、硬脆果肉、抗裂耐貯運、高品質西瓜新品種「京美10K」。
北京市農林科學院國家西甜瓜改良中心任毅副研究員為該論文的第一作者，許勇研究員和任毅副研究員為通訊作者。中國農業大學張小蘭教授團隊、德國馬普研究所Alisdair R. Fernie教授團隊和美國加州大學伯克利分校勞倫斯國家實驗室Henrik V. Scheller教授團隊參與了該研究。該項目由國家重點研發計劃、國家自然基金委和北京市自然科學基金等項目的資助。
Ren, Y., McGregor, C., Zhang, Y., Gong, G., Zhang, H., Guo, S., Sun, H., Cai, W., Zhang, J., and Xu, Y. (2014). An integrated genetic map based on four mapping populations and quantitative trait loci associated with economically important traits in watermelon (Citrullus lanatus). BMC Plant Biol 14:33.Ren, Y., Guo, S., Zhang, J., He, H., Sun, H., Tian, S., Gong, G., Zhang, H., Levi, A., Tadmor, Y., et al. (2018). A Tonoplast Sugar Transporter Underlies a Sugar Accumulation QTL in Watermelon. Plant Physiol 176:836-850.Ren, Y., Sun, H., Zong, M., Guo, S., Ren, Z., Zhao, J., Li, M., Zhang, J., Tian, S., Wang, J., et al. (2020). Localization shift of a sugar transporter contributes to phloem unloading in sweet watermelons. New Phytologist DOI:10.1111/nph.16659.Ren, Y., Li, M., Guo, S., Sun, H., Zhao. J., et al. (2021). Evolutionary gain of oligosaccharide hydrolysis and sugar transport enhanced carbohydrate partitioning in sweet watermelon fruits. The Plant Cell DOI:10.1093/plcell/koab055.
全文連結：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab055/6133242