北京市农林科学院许勇团队在西瓜果实韧皮部糖分卸载的分子机制与驯化研究中取得新进展

西瓜以其清爽香甜的品质成为夏季消暑的佳品。西瓜“甜蜜”基因的发掘一直是分子遗传学研究的核心问题。西瓜糖度是一个由多基因控制的复杂数量性状，已有的研究表明，在第2号染色体上存在两个糖含量主效QTL位点Qbrix2-1和Qbrix2-2 (Ren et al., 2014; Sandlin et al., 2012) 。成熟西瓜果实糖分积累于液泡中，液泡占据了果实细胞90%以上体积，含糖量主效QTL Qbrix2-2上的糖分决定基因就是液泡膜糖转运蛋白TST2 (Tonoplast Sugar Transporter) 。 2018许勇团队在Plant Physiology发表了题为为“A tonoplast sugar transporter underlies a sugar accumulation QTL in watermelon”的研究论文，揭示了TST2在糖分积累上的分子机制 (Ren et al., 2018) 。而西瓜果实液泡积累的糖分来源于果实韧皮部糖分的卸载，究竟是哪些糖转运蛋白参与了西瓜果实质外体途径完成糖分的韧皮部卸载呢？这还是一个未知命题。因此，进一步揭示果实糖分卸载的分子机制，对提高果实品质、产量以及与环境互作等均具有重要的科学意义和应用价值。

2020年5月26日，北京市农林科学院国家西甜瓜改良中心许勇研究团队任毅副研究员在New Phytologist上在线发表名为Localization shift of a sugar transporter contributes to phloem unloading in sweet watermelons的研究论文。该研究通过图位克隆西瓜含糖量另一个主效QTL位点Qbrix2-1，发现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糖分卸载能力 (Ren et al., 2020)。

研究人员利用超高密度SNP遗传图谱完成西瓜果实含糖量QTL精细定位工作，并利用326份自然群体材料完成关联分析，获得了西瓜新型液泡膜糖转运蛋白ClVST1 (Citrullus lanatus vacuole sugar transporter) 编码区与含糖量高度关联的SNP C99A 位点。亚细胞定位证实，野生材料ClVST1位于西瓜果实液泡膜表达，SNP C99A 位点导致栽培西瓜ClVST1在N端截断45个氨基酸，丢失内膜定位信号，从而导致栽培西瓜ClVST1定位到细胞膜。体外糖转运功能证实，只有栽培西瓜ClVST1具有糖转运活性，说明ClVST1是栽培西瓜获得性基因。RNA原位杂交显示ClVST1在西瓜果实维管束韧皮部特异性表达，在韧皮部上起到了糖分卸载的作用。将ClVST1基因过表达后能提高半野生西瓜的含糖量和生物产量；反之，通过CRISPR/cas9敲除ClVST1后，突变体西瓜叶子积累大量淀粉，而果实中积累的生物产量和糖含量均降低（图1）。可见，ClVST1起到了在库和源之间调节和分配碳水化合物的作用。

图1 ClVST1调控西瓜源库之间糖分和生物产量分配

驯化选择分析发现， ClVST1位于半野生西瓜驯化到栽培西瓜的受选择区域，是从西瓜半野生到栽培种进化的重要驯化基因。ClVST1是西瓜糖分分配和积累过程中的一个新型糖转运蛋白，其中SNP C99A是关键的变异位点，四年前该团队已经将该位点序列申请专利保护 （专利号：ZL201610055412.4） ，并综合该位点和其他糖分决定关键QTL位点 （如ClTST2变异位点） ，建立了从野生西瓜转育抗病抗裂，与高糖高品质高效聚合的西瓜分子标记辅助育种技术体系，结合常规育种，该团队已培育出京美系列、京颖等高品质西瓜品种，果实中心含糖量高达15.7% （图2） 。因此，ClVST1和ClTST2等糖分决定基因的研究，不仅建立了西瓜果实品质形成的理论基础，也为高品质西瓜选育提供了分子辅助选择的工具，是应用基础研究成果成功应用于育种生产实践的经典案例。

图2 京美系列和京颖高品质西瓜新品种。

据了解，本论文是西瓜“甜蜜”基因故事开启的第二个篇章。西瓜等葫芦科作物以棉籽糖系列寡糖 （RFOs） 作为茎韧皮部光合产物运输主要物质。从RFOs到果实液泡储存糖分共经历了四个关键环节。1）西瓜果实维管束运输的RFOs在韧皮部水解为蔗糖；2）蔗糖在果实韧皮部的卸载；3）糖分被卸载出韧皮部之后，细胞间隙的糖分需经过果肉细胞质膜上糖转运蛋白将其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。ClTST2是西瓜糖分积累最后一个环节，ClVST1在第2节点起作用，然而第1）和3）节点的关键基因尚不清楚，该团队正在揭晓中，敬请期待。

该论文第一作者为北京市农林科学院国家西甜瓜改良中心任毅副研究员，通讯作者为许勇研究员。该研究由国家重点研发计划和国家自然基金委等项目的资助。

相关文献：

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., 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., 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.

Sandlin, K., Prothro, J., Heesacker, A., Khalilian, N., Okashah, R., Xiang, W., Bachlava, E., Caldwell, D.G., Taylor, C.A., Seymour, D.K., et al. (2012). Comparative mapping in watermelon [Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. et Nakai]. Theor Appl Genet 125:1603-1618.

https://doi.org/10.1111/nph.16659