薄皮甜瓜 (Cucumis melo var. makuwa Maki) 是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，在我國東北和華北廣泛種植，其因果實(shí)甘甜、香氣濃郁和獨(dú)特質(zhì)地而深受消費(fèi)者喜愛。設(shè)施栽培是目前薄皮甜瓜生產(chǎn)的主要方式，其周年生產(chǎn)的關(guān)鍵障礙之一是低溫弱光逆境引起的果實(shí)品質(zhì)下降。為解決該問題，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)齊紅巖教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)長期從事設(shè)施甜瓜抗逆提質(zhì)增效的創(chuàng)新研究工作。

近日，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院齊紅巖教授團(tuán)隊(duì)在薄皮甜瓜果實(shí)主要品質(zhì)形成與調(diào)控機(jī)制方面取得重要進(jìn)展，揭示了影響甜瓜果實(shí)質(zhì)地軟化的關(guān)鍵基因、光信號調(diào)控果實(shí)香氣合成及蔗糖積累的關(guān)鍵通路，為甜瓜果實(shí)品質(zhì)改良及栽培技術(shù)調(diào)控提供了重要理論依據(jù)，研究成果在國際高水平期刊相繼發(fā)表。

1. 破解甜瓜果實(shí)質(zhì)地差異之謎：關(guān)鍵基因調(diào)控HG甲酯化與果實(shí)軟化

質(zhì)地是評價(jià)甜瓜果實(shí)品質(zhì)的重要性狀，其不僅決定果實(shí)口感，同時(shí)作為商品屬性影響運(yùn)輸、貯藏和貨架期。同型半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）是甜瓜果實(shí)中含量最豐富的果膠多糖（60%-65%），其甲酯化程度決定了其理化性質(zhì)與降解。然而，HG甲酯化修飾途徑的果膠甲基轉(zhuǎn)移酶（Pectin methyltransferases，PMTs）在影響甜瓜果實(shí)質(zhì)地特性中的功能尚不明確。

2025年9月17日，齊紅巖教授團(tuán)隊(duì)在中科院一區(qū)TOP期刊Horticulture Research發(fā)表了題為CmbZIP11 regulates CmPMT1/15 affecting homogalacturonan methyl-esterification and fruit softening in melon的研究論文。該研究成功鎖定了參與甜瓜果實(shí)HG甲酯化修飾的關(guān)鍵基因CmPMT1與CmPMT15。研究發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)蛋白的Methyltransf_29功能結(jié)構(gòu)域分別存在一個(gè)1748?和2102?的“掌心狀”口袋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在HG的甲基轉(zhuǎn)移與裝配中發(fā)揮催化作用。當(dāng)過表達(dá)CmPMT1與CmPMT15時(shí)，果肉組織中HG-Ca2+交聯(lián)的‘Egg-box’凝膠結(jié)構(gòu)豐度顯著減少，HG更易于被降解，果實(shí)硬度顯著降低。與之相反，在較低的CmPMT1和CmPMT15表達(dá)水平下，合成的低甲酯化HG D-GalA的C-6位羧基暴露的陰離子更多的與Ca2+交聯(lián)形成‘Egg-box’凝膠結(jié)構(gòu)，CmPMEs、CmPLs和CmPGs難以進(jìn)入將其降解，果實(shí)不易于軟化。轉(zhuǎn)錄因子CmbZIP11正是通過直接激活CmPMT1，間接調(diào)控CmPMT15的雙重作用，成為這一調(diào)控通路的關(guān)鍵開關(guān)（圖1）。

圖1 CmbZIP11調(diào)控CmPMT1和CmPMT15介導(dǎo)HG甲酯化影響甜瓜果實(shí)軟化

2. 光信號精準(zhǔn)調(diào)控：甜瓜果實(shí)香氣品質(zhì)提升新突破

香氣是薄皮甜瓜重要的品質(zhì)性狀之一，影響消費(fèi)者的購買喜好。秋冬季設(shè)施內(nèi)光照不足，易引起薄皮甜瓜果實(shí)香氣品質(zhì)下降。近年來，LED 補(bǔ)光已成為設(shè)施甜瓜抗逆提質(zhì)栽培關(guān)鍵技術(shù)之一，但光信號調(diào)控薄皮甜瓜果實(shí)香氣物質(zhì)形成的作用機(jī)制尚不清晰。

2025年10月21日，齊紅巖教授團(tuán)隊(duì)在中科院一區(qū)TOP期刊Plant Physiology上在線發(fā)表題為“The CmPIF8-CmDof13-mediated lipoxygenase pathway modulates red light-induced ester biosynthesis in oriental melon”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充紅光可以激活CmDof13轉(zhuǎn)錄因子，正調(diào)控甜瓜果實(shí)香氣合成關(guān)鍵基因CmLOX18和CmAAT1的表達(dá)。CmPIF8轉(zhuǎn)錄因子作為光信號負(fù)調(diào)控因子可與CmDof13形成蛋白復(fù)合體，但紅光能抑制CmPIF8表達(dá)，削弱其對CmDof13的綁定作用，從而促進(jìn)甜瓜果實(shí)香氣物質(zhì)積累（圖2）。該研究通過補(bǔ)充紅光精準(zhǔn)調(diào)控CmPIF8-CmDof13-LOX路徑，為設(shè)施薄皮甜瓜栽培中應(yīng)用LED補(bǔ)光提質(zhì)和果實(shí)品質(zhì)改良提供了重要參考。

圖2 紅光誘導(dǎo)CmPIF8-CmDof13介導(dǎo)LOX途徑調(diào)控甜瓜酯類物質(zhì)合成

3. 甜蜜的奧秘：紅光促進(jìn)甜瓜果實(shí)蔗糖積累新秘鑰

秋冬季設(shè)施內(nèi)光照不足也是引起薄皮甜瓜果實(shí)糖分降低的重要原因，LED補(bǔ)光是實(shí)現(xiàn)果實(shí)糖分提升的關(guān)鍵技術(shù)之一，但光信號調(diào)控薄皮甜瓜果實(shí)蔗糖積累的分子機(jī)制尚不明晰。

2025年11月26日，齊紅巖教授團(tuán)隊(duì)在中科院一區(qū)TOP期刊Journal of Integrative Plant Biology在線發(fā)表了題為“CmHY5 and CmWRKY28 regulate sucrose accumulation in oriental melon under supplemental red light” 的研究論文，成功破解了甜瓜補(bǔ)充紅光的“增甜密碼”。研究表明，在甜瓜坐果后補(bǔ)充紅光可顯著提高果實(shí)蔗糖含量，并顯著上調(diào)蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝關(guān)鍵基因CmSUT2、CmSWEET10及CmSUS2的表達(dá)。通過分子實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了紅光誘導(dǎo)的CmWRKY28轉(zhuǎn)錄因子可直接結(jié)合上述基因啟動子并激活其表達(dá)；同時(shí)，光信號轉(zhuǎn)錄因子CmHY5作為正調(diào)控因子，不僅直接靶向CmSUT2與CmWRKY28，并能與CmWRKY28形成蛋白復(fù)合體協(xié)同發(fā)揮作用（圖3）。該研究首次系統(tǒng)解析了紅光促進(jìn)甜瓜果實(shí)蔗糖積累的轉(zhuǎn)錄調(diào)控路徑，為弱光條件下補(bǔ)光提高果實(shí)糖分和品質(zhì)改良提供了新參考。

圖3 紅光介導(dǎo)CmHY5和CmWRKY28協(xié)同調(diào)控甜瓜果實(shí)蔗糖積累

齊紅巖教授團(tuán)隊(duì)圍繞薄皮甜瓜質(zhì)地、香氣、蔗糖積累三大核心品質(zhì)性狀展開系統(tǒng)性研究，成功解碼了多項(xiàng)關(guān)鍵分子調(diào)控機(jī)制。明確了質(zhì)地調(diào)控的關(guān)鍵基因與轉(zhuǎn)錄模塊、香氣合成及蔗糖積累的紅光調(diào)控機(jī)制，為優(yōu)質(zhì)甜瓜的分子育種提供了關(guān)鍵基因靶點(diǎn)，為設(shè)施弱光條件下精準(zhǔn)調(diào)控甜瓜果實(shí)品質(zhì)提供重要理論依據(jù)，對推動甜瓜產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。未來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步解析甜瓜品質(zhì)形成與環(huán)境適應(yīng)性的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，助力培育更多風(fēng)味佳、品質(zhì)優(yōu)的甜瓜新品種。