Plant Cell | 青岛农业大学张忠华/柴森团队创建甜瓜集成化基因研究新体系，加速功能基因与分子育种研究

甜瓜（Cucumis melo L.）是世界十大水果之一，也是果实发育与性别决定研究的优选模式植物，兼具重要经济价值与研究价值。然而，由于遗传多样性异常丰富、关键农艺性状受多效基因调控，加之长期缺乏系统完整的功能基因解析体系，导致其功能基因研究与分子育种进展相对滞后。因此，亟需高质量的基础研究资源与创新平台来推动突破。

近日，青岛农业大学瓜类生物学张忠华/柴森团队与新疆维吾尔自治区农业科学院等单位合作在国际知名期刊The Plant Cell（自然指数期刊）在线发表了题为A comprehensive omics resource and genetic tools for genetic research and precision breeding of Cucumis melo ssp. agrestis的研究论文，该研究基于薄皮栽培种质13C, 构建了包含T2T基因组、全组织的转录组图谱、重测序近饱和EMS突变体库以及稳定遗传转化技术等工具的甜瓜综合功能基因研究体系，并挖掘多个农艺性状的关键功能基因，为甜瓜功能基因研究与分子育种提供了理论和技术支持。

研究团队以优良栽培高代自交系13C为研究对象，利用PacBio HiFi、ONT超长读长和Hi-C等多种测序技术，成功组装出375.64 Mb的高质量端粒到端粒（T2T）甜瓜参考基因组。该基因组包含12个着丝粒和24个端粒，BUSCO完整度高达98.5%，并首次对甜瓜中难以组装的45S rDNA区域进行了准确拷贝数估算，揭示其在栽培型和野生型之间存在显著差异（图1）。

图1 甜瓜13C T2T基因组

为揭示组织特异表达与果实发育动态，研究团队绘制了覆盖根、茎、叶、花及不同果实时期的31份组织转录图谱。通过基因共表达网络分析，识别出多个组织特异性表达模块并对其转录特征进行解析，同时构建了甜瓜果实成熟过程的转录调控网络，为揭示果实发育中关键生物过程的转录调控机制提供了重要见解（图2）。

图2 甜瓜13C全组织转录图谱

为了加速功能基因挖掘，研究团队以13C为亲本构建了饱和EMS突变体库，通过对约8000株M1和M2代植株的观察，鉴定了一系列果实、株型、性别等性状的突变体，并探究了突变资源的遗传规律。随后团队对其中1125个M2家系进行了高深度全基因组测序（平均27.6×），共鉴定约62万SNP和3.9万InDel，突变类型以C/G到T/A为主（83.7%）。通过注释分析，突变位点覆盖了注释基因的97.33%，实现了甜瓜重测序近饱和EMS突变体库的构建（图3）。

通过整合以上资源，团队成功通过正向遗传定位克隆了多个关键农艺性状的核心调控基因，包括调控甜瓜性别决定的CmWIP1、影响果实心室数的CmCIK2以及参与叶酸生物合成的CmACDS。针对薄皮甜瓜货架期短的问题，研究团队结合转录数据及突变资源利用反向遗传学，确定了果实成熟关键基因CmNAC-NOR在薄皮甜瓜中的功能，并在13C材料中建立了稳定的基因编辑体系，成功利用CRISPR技术及突变资源创制不同成熟期的种质资源，为薄皮甜瓜延长货架期提供了新的育种材料。

图3 13C EMS突变体库的构建

为推动这些科研资源的共享与利用，团队同步推出了Melon Information Resource（MIR）平台。该平台集成基因组、突变体、转录组及基因编辑设计工具等（图4）。MIR的推出，不仅为甜瓜功能基因研究提供了关键数据工具支撑，也为全球甜瓜分子设计育种带来了新的机遇。

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

中国农业科学院农业基因组研究所博士后许愿超、新疆维吾尔自治区农业科学院生物育种实验室刘斌研究员、青岛农业大学园艺学院在读博士研究生李阳、陈新秀、青年教师闫超为论文共同第一作者，青岛农业大学园艺学院张忠华教授、柴森副教授为论文通讯作者。团队成员、中国农科院蔬菜所孙进京研究员、新疆农科院张学军研究员等为该项工作提供巨大支持。该研究得到了国家自然科学基金、新疆自治区区域协同创新专项（上合国际合作计划）、 山东省人民政府“泰山学者”基金及山东省自然科学基金的资助支持。

论文链接：

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

甜瓜功能基因研究平台链接：

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