甜瓜（Cucumis melo L.）是世界十大水果之一，也是果實(shí)發(fā)育與性別決定研究的優(yōu)選模式植物，兼具重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值與研究?jī)r(jià)值。然而，由于遺傳多樣性異常豐富、關(guān)鍵農(nóng)藝性狀受多效基因調(diào)控，加之長(zhǎng)期缺乏系統(tǒng)完整的功能基因解析體系，導(dǎo)致其功能基因研究與分子育種進(jìn)展相對(duì)滯后。因此，亟需高質(zhì)量的基礎(chǔ)研究資源與創(chuàng)新平臺(tái)來(lái)推動(dòng)突破。

近日，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類生物學(xué)張忠華/柴森團(tuán)隊(duì)與新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位合作在國(guó)際知名期刊The Plant Cell（自然指數(shù)期刊）在線發(fā)表了題為A comprehensive omics resource and genetic tools for genetic research and precision breeding of Cucumis melo ssp. agrestis的研究論文，該研究基于薄皮栽培種質(zhì)13C, 構(gòu)建了包含T2T基因組、全組織的轉(zhuǎn)錄組圖譜、重測(cè)序近飽和EMS突變體庫(kù)以及穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)等工具的甜瓜綜合功能基因研究體系，并挖掘多個(gè)農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵功能基因，為甜瓜功能基因研究與分子育種提供了理論和技術(shù)支持。

研究團(tuán)隊(duì)以優(yōu)良栽培高代自交系13C為研究對(duì)象，利用PacBio HiFi、ONT超長(zhǎng)讀長(zhǎng)和Hi-C等多種測(cè)序技術(shù)，成功組裝出375.64 Mb的高質(zhì)量端粒到端粒（T2T）甜瓜參考基因組。該基因組包含12個(gè)著絲粒和24個(gè)端粒，BUSCO完整度高達(dá)98.5%，并首次對(duì)甜瓜中難以組裝的45S rDNA區(qū)域進(jìn)行了準(zhǔn)確拷貝數(shù)估算，揭示其在栽培型和野生型之間存在顯著差異（圖1）。

圖1 甜瓜13C T2T基因組

為揭示組織特異表達(dá)與果實(shí)發(fā)育動(dòng)態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)繪制了覆蓋根、莖、葉、花及不同果實(shí)時(shí)期的31份組織轉(zhuǎn)錄圖譜。通過(guò)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，識(shí)別出多個(gè)組織特異性表達(dá)模塊并對(duì)其轉(zhuǎn)錄特征進(jìn)行解析，同時(shí)構(gòu)建了甜瓜果實(shí)成熟過(guò)程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為揭示果實(shí)發(fā)育中關(guān)鍵生物過(guò)程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制提供了重要見(jiàn)解（圖2）。

圖2 甜瓜13C全組織轉(zhuǎn)錄圖譜

為了加速功能基因挖掘，研究團(tuán)隊(duì)以13C為親本構(gòu)建了飽和EMS突變體庫(kù)，通過(guò)對(duì)約8000株M1和M2代植株的觀察，鑒定了一系列果實(shí)、株型、性別等性狀的突變體，并探究了突變資源的遺傳規(guī)律。隨后團(tuán)隊(duì)對(duì)其中1125個(gè)M2家系進(jìn)行了高深度全基因組測(cè)序（平均27.6×），共鑒定約62萬(wàn)SNP和3.9萬(wàn)InDel，突變類型以C/G到T/A為主（83.7%）。通過(guò)注釋分析，突變位點(diǎn)覆蓋了注釋基因的97.33%，實(shí)現(xiàn)了甜瓜重測(cè)序近飽和EMS突變體庫(kù)的構(gòu)建（圖3）。

通過(guò)整合以上資源，團(tuán)隊(duì)成功通過(guò)正向遺傳定位克隆了多個(gè)關(guān)鍵農(nóng)藝性狀的核心調(diào)控基因，包括調(diào)控甜瓜性別決定的CmWIP1、影響果實(shí)心室數(shù)的CmCIK2以及參與葉酸生物合成的CmACDS。針對(duì)薄皮甜瓜貨架期短的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)及突變資源利用反向遺傳學(xué)，確定了果實(shí)成熟關(guān)鍵基因CmNAC-NOR在薄皮甜瓜中的功能，并在13C材料中建立了穩(wěn)定的基因編輯體系，成功利用CRISPR技術(shù)及突變資源創(chuàng)制不同成熟期的種質(zhì)資源，為薄皮甜瓜延長(zhǎng)貨架期提供了新的育種材料。

圖3 13C EMS突變體庫(kù)的構(gòu)建

為推動(dòng)這些科研資源的共享與利用，團(tuán)隊(duì)同步推出了Melon Information Resource（MIR）平臺(tái)。該平臺(tái)集成基因組、突變體、轉(zhuǎn)錄組及基因編輯設(shè)計(jì)工具等（圖4）。MIR的推出，不僅為甜瓜功能基因研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)工具支撐，也為全球甜瓜分子設(shè)計(jì)育種帶來(lái)了新的機(jī)遇。

圖4 Melon Information Resource（MIR）：甜瓜功能基因研究平臺(tái)

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所博士后許愿超、新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物育種實(shí)驗(yàn)室劉斌研究員、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院在讀博士研究生李陽(yáng)、陳新秀、青年教師閆超為論文共同第一作者，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授、柴森副教授為論文通訊作者。團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)農(nóng)科院蔬菜所孫進(jìn)京研究員、新疆農(nóng)科院張學(xué)軍研究員等為該項(xiàng)工作提供巨大支持。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、新疆自治區(qū)區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新專項(xiàng)（上合國(guó)際合作計(jì)劃）、 山東省人民政府“泰山學(xué)者”基金及山東省自然科學(xué)基金的資助支持。

論文鏈接：

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

甜瓜功能基因研究平臺(tái)鏈接：

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