Plant Physiol | 青岛农业大学张忠华/张慧敏揭示CmBt-CmBr基因簇调控甜瓜苦味的分子机制及其在无苦味育种上的应用价值
甜瓜（Cucumis melo L.）是葫芦科重要经济作物，坐果剂氯吡脲（CPPU）使用不当、逆境等因素经常会导致果实出现苦味，严重影响果实品质，成为甜瓜生产中的一大难题。甜瓜苦味由三萜类化合物葫芦素B引起，葫芦素B的生物合成受多种转录因子调控，但其在甜瓜不同组织中的合成调控机制尚不明确。近日，青岛农业大学园艺学院张忠华/张慧敏团队在Plant Physiology上在线发表了题为“CmBt and CmBr synergistically regulate cucurbitacin B biosynthesis in melon”的研究论文，揭示了CmBt与CmBr基因组织特异性调控甜瓜苦味物质葫芦素B积累的机制，并基于该分子靶点创制了果实无苦味的甜瓜育种新材料。前期研究发现，黄瓜中一个苦味调控基因簇中CsBl和CsBt，分别在叶片和果实中调控苦味的合成（Shang et al., 2014，Science，张慧敏为共同第一作者）。在甜瓜中，CmBt与CmBr是该同源基因簇内调控苦味的同源基因（Zhou et al., 2016，Nature Plants），其中CmBr基因是响应CPPU调控果实苦味的关键基因（Wang et al., 2024，Plant Biotechnology Journal，通讯作者），但CmBt与CmBr的组织特异性调控机制及二者之间的相互关系尚未完全阐明。该研究进一步分析了Cmbr突变体，发现CmBr不仅是果实中响应CPPU调控葫芦素B合成的关键基因，而且主要在果实和根系中调控葫芦素B的合成。同时，利用CRISPR/Cas9敲除CmBt基因，获得了两个突变体Cmbt-18和Cmbt-19，突变体中叶片苦味消失，葫芦素B几乎检测不到；果实和根系中葫芦素B含量也略有下降，表明CmBt主要调控叶片中苦味物质葫芦素B的积累，并在果实苦味调控中发挥一定作用，其功能与黄瓜中的CsBl具有保守性。由此，研究团队提出了CmBt与CmBr组织特异性调控苦味物质葫芦素B积累的机制：CmBt主要调控叶片的葫芦素B合成，CmBr主要调控果实和根系的葫芦素B合成。CmBt与CmBr基因簇能够协同激活葫芦素B关键合成基因CmBi的表达，从而促进葫芦素B的生物合成。图1 CmBt和CmBr调控甜瓜葫芦素B合成的模型图为了揭示CmBt-CmBr基因簇在无苦味育种中的应用潜力，该研究利用高浓度CPPU处理野生型（WT）、Cmbt-18单突变体和CmbtCmbr双突变体，其中WT成熟果实苦果率高达58.57%，Cmbt-18单突变体降至27.27%，而CmbtCmbr双突变体可完全消除CPPU诱导的果实苦味，且不影响甜瓜的单果重、果形及可溶性固形物等商品品质。由此成功创制出果实无苦味的甜瓜新种质。图2 CmbtCmbr双突变体的果实苦味及其他重要农艺性状表型青岛农业大学园艺学院硕士研究生王诗淇、赵雪、王新如和中国农业大学博士研究生王明艳为论文第一作者，青岛农业大学园艺学院张忠华教授、张慧敏副教授为论文通讯作者。青岛农业大学园艺学院程斐教授，中国农业科学院深圳基因组研究所博士后许愿超，华中农业大学园艺林学学院杨丽副教授，中国农业科学院蔬菜所孙进京、王深浩研究员以及团队成员刘小凤、吕丙盛、柴森和徐奎鹏等对该研究提供了重要的指导。该研究得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目，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。Wang, S., Zhao, X., Wang, X., Wang, M., Wang, C., Liu, M., Zhu, Y., Liu, T., Wang, Y., Chen, X., Xu, Y., Cheng, F., Che, X., Liu, X., Lv, B., Chai, S., Xu, K., Zhang, Z., Zhang, H. (2026).CmBt and CmBr synergistically regulate cucurbitacin B biosynthesis in melon. Plant Physiology, kiag294.Wang, M., Jiang, N., Xu, Y., Chen, X., Wang, C., Wang, C., Wang, S., Xu, K., Chai, S., Yu, Q., Zhang, Z., Zhang, H. (2024). CmBr confers fruit bitterness under CPPU treatment in melon. Plant Biotechnology Journal 22, 2724-2737.Shang, Y., Ma, Y., Zhou, Y., Zhang, H., Duan, L., Chen, H., Zeng, J., Zhou, Q., Wang, S., Gu, W. (2014). Biosynthesis, regulation, and domestication of bitterness in cucumber. Science 346, 1084-1088.Zhou, Y., Ma, Y., Zeng, J., Duan, L., Xue, X., Wang, H., Lin, T., Liu, Z., Zeng, K., Zhong, Y. (2016). Convergence and divergence of bitterness biosynthesis and regulation in Cucurbitaceae. Nature Plants 2, 1-8.https://doi.org/10.1093/plphys/kiag294
