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Hortic Res | 中国农业大学任华中/刘兴旺团队首次揭示硫氰酸酶调控黄瓜嫩果皮色形成的分子机制

2026-04-23 03:46:00

IHRC2026 | 第十三届国际园艺研究大会一轮通知

黄瓜（Cucumis sativus L.）是葫芦科的重要蔬菜作物，全球广泛种植，对人类饮食起着关键作用。果皮颜色是影响黄瓜市场价值与消费者选择的重要性状。尽管叶绿素合成途径已较为明确，但黄瓜果皮颜色调控的具体机制仍有待深入探索。

2026年第5期，Horticulture Research上线了（Advance Access）中国农业大学任华中/刘兴旺团队题为Identification and characterization of CsYP in regulating chloroplast development and cucumber peel color 的研究论文。该研究利用正向遗传学手段成功鉴定出一个调控黄瓜果皮颜色的关键基因CsYP，其编码硫氰酸酶（Rhodanese）。研究首次将硫氰酸酶、铁硫簇合成途径与黄瓜果皮颜色形成联系起来，为理解果蔬外观品质形成的细胞与分子基础提供了全新视角。

团队以自主创制的黄瓜果皮黄化突变体3578和绿色自交系3577为材料，通过遗传分析发现果皮黄化性状受一对隐性核基因控制。利用精细定位与全基因组测序，研究将目标基因锁定在1号染色体上一个198.2 kb的区间内，并进一步确定 Csa1G002930 基因为关键候选基因，将其命名为CsYP。该基因编码硫氰酸酶（Rhod），其第六外显子在突变体中存在InDel变异，导致移码及翻译提前终止。亚细胞定位显示CsYP蛋白主要定位于叶绿体。

图1 CsYP的精细定位

为进一步确定CsYP 在控制黄瓜果皮颜色黄化中的功能，通过CRISPR/Cas9 基因编辑技术创制的敲除株系 yp-1 和 yp-2 均呈现黄色果皮表型，与自然突变体高度一致。透射电镜观察发现，突变体叶绿体数量显著减少 47.4%，叶绿体结构发育不全，嗜锇滴数目减少 48.8%。生化分析显示，突变体果皮中叶绿素 a 、叶绿素 b 和类胡萝卜素含量分别降低了72.6%、75.1%和 71.1%。这些结果证实，CsYP 缺陷严重影响叶绿体发育和色素合成。

图2 CsYP CRISPR /Cas9转基因植物的表型特征分析

为进一步理清 CsYP 参与皮色调控的分子机理，研究发现CsYP能够与细胞色素b6f 复合体的铁硫亚基 Cscytb6f在蛋白水平上可直接相互作用。酵母双杂交、荧光素酶互补和双分子荧光互补实验均证实了这一互作关系。细胞色素 b6f 复合体是光合电子传递链的关键组分，其铁硫亚基对于光系统 II 和光系统 I 之间的电子传递至关重要。这一发现揭示了硫氰酸酶可能通过参与铁硫簇的生物合成或修复，影响叶绿体蛋白的组装与功能，从而调控叶绿体发育和果皮颜色形成。RNA 测序分析进一步显示，yp 突变体中参与光合作用及叶绿体发育的基因表达发生广泛改变，光合效率（Fv/Fm 值）显著下降。推测硫氰酸酶通过影响铁硫簇合成进而调控叶绿体发育。

该研究首次将硫氰酸酶、铁硫簇合成途径与黄瓜果皮颜色形成联系起来，填补了这一领域的研究空白。硫氰酸酶作为一种广泛分布的酶，其参与铁硫簇生物合成的功能在作物中鲜有报道。本研究不仅拓展了人们对硫氰酸酶功能的认识，也为黄瓜分子育种提供了潜在的靶点基因。

中国农业大学任华中教授团队刘兴旺副教授为该文的通讯作者，已毕业硕士研究生崔园园、吴皓颖，在读博士研究生李森、赵溪为该论文的共同第一作者。任华中教授、美国威斯康星大学Yiqun Weng教授、中国农业大学烟台研究院陈晓峰博士给予了重要指导。本研究由国家重点研发计划‘战略性科技创新合作’重点研发计划（2023YFE0206900）及中国农业大学2115人才培养计划资助。

团队介绍

任华中/刘兴旺课题组长期从黄瓜遗传改良与分子调控研究，取得了一系列重要研究进展，在 The Plant cell、Plant Biotechnology Journal、Journal of Advanced Research、New Phytologist、Plant Physiology、The Plant Journal、Horticulture Research 等国际主流学术期刊发表论文40余篇。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhag043

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About Horticulture Research

《园艺研究（英文）》（Horticulture Research）是由南京农业大学主办的学术期刊，主要刊载园艺作物的基础和理论研究，包括遗传学、育种、组学和演化、园艺作物的起源及驯化、生物技术、生物化学、生理学和细胞与分子生物学，环境互作生物学等。科睿唯安JCR2024影响因子：8.5，位于园艺一区（第1/45名），植物科学一区（第10/273名），遗传学一区（第11/191名）。2025年中科院期刊分区：位于园艺小类一区，植物科学小类一区，遗传学小类一区，农林科学大类一区（Top期刊）。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划一期领军期刊，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊、2025年入选江苏科技期刊卓越行动计划领军期刊。

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特邀作者：崔园园

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责任编辑：王平

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