果實成熟分為呼吸躍變型和非呼吸躍變型兩種類型。在番茄為代表的呼吸躍變型模式作物上，陸續挖掘出調控呼吸躍變型果實成熟關鍵因子NAC轉錄因子NOR，MADS-box轉錄因子RIN等明星基因，逐步完善了其調控果實成熟的作用機制。基于這些基因開發的相關標記已在育種上得以應用，乙烯利與1-MCP等生長調節劑也在產業上得到了廣泛實際應用。相較于呼吸躍變型果實，調控非呼吸躍變型果實成熟的關鍵基因及其進化分子機制長期未能破解。西瓜是典型的非呼吸躍變果實，通過進化與人為選擇，由非洲起源的野生西瓜進化為瓤色鮮艷、口感酥脆、含糖量高的栽培西瓜，其進化分子機制是改良與提高西瓜品質的理論基礎，但控制西瓜果實成熟進化的主導轉錄因子及其分子機制尚不清楚。

 

　　本研究通過分析414份代表性西瓜的重測序數據發現，共有9個NAC轉錄因子在西瓜成熟進化階段受到選擇。其中四個NAC基因ClNAC53, ClNAC56, ClNAC68和ClNAC100，位于品質提高進化階段，且在果肉中高量表達。將四個基因分別敲除后發現，只有Clnac56突變體果實品質顯著降低。無獨有偶，進化樹分析發現，ClNAC56正是番茄SlNOR的同源基因，因此將該基因命名為ClNOR。ClNOR如何參與調控西瓜果實成熟以及自然變異位點在西瓜果實成熟進化過程中起怎么樣的作用是本項研究核心問題。

 

　　首先利用基因編輯技術驗證其功能，敲除ClNOR，西瓜果實成熟顯著推遲，果實含糖量、番茄紅素含量及ABA含量均顯著下降。進一步通過DAP-seq分析發現，ClNOR不能直接結合果實成熟相關功能基因，如ABA合成基因ClNCED1，番茄紅素合成基因ClPSY1，有色體發育基因ClPHT4;2以及西瓜果實糖含量基因ClAGA2等。這與番茄SlNOR直接靶向決定果實成熟關鍵功能基因的機制不同。結合轉錄組分析進一步挖掘到ClbZIP1是連接ClNOR與ABA合成基因ClNCED1和有色體發育關鍵基因ClPHT4;2的關鍵轉錄因子。敲除Clbzip1果實成熟推遲，品質顯著下降。與Clnor雜交，獲得的Clnor Clbzip1雙突體其推遲果實成熟的表型比clbzip1單突變體更為顯著，但與Clnor單突變體表型無顯著差異。上述實驗證實ClNOR通過介導ClbZIP1來調控ClNCED1和ClPHT4;2表達，進而促進西瓜果實ABA積累和瓤色形成。同時，ClNOR通過ClNOR-ClNF-YC2-ClAGA2模塊來調控果實含糖量的機制。

 

　　本研究進一步開展了ClNOR自然變異位點調控下游基因的機制研究，通過單倍型分析發現，ClNOR轉錄激活區域存在兩個自然變異位點，產生了三種單倍型，即栽培類型ClNORT,T, landrace類型ClNORC,T和祖先類型 ClNORC,G。生物膜干涉實驗及雙螢光素酶實驗明確栽培類型ClNORT,T對靶基因ClbZIP1的轉錄激活作用顯著高于landrace類型ClNORC,T和祖先類型ClNORC,G。回補番茄Slnor基因編輯突變體發現，只有栽培類型ClNORT,T能夠恢復Slnor成熟推遲的表型，landrace類型ClNORC,T和祖先類型ClNORC,G則不能恢復。這進一步證實了ClNOR自然變異位點（564,T/C）通過增強對靶基因的激活作用來促進果實成熟。

 

　　非呼吸躍變型果實還包含包括柑橘、葡萄、草莓、辣椒等許多重要水果蔬菜，種植面積與產量約占全球果蔬一半以上，但由于大部分作物還存在無性繁殖以及遺傳轉化困難等難題，一直限制了非呼吸躍變型果實成熟進化機制研究進展。本研究首次系統闡明了NAC轉錄因子ClNOR調控非呼吸躍變型西瓜果實成熟進化的分子機制，必將推動非呼吸躍變型果實成熟與品質形成研究引向深入。

 

　　我院蔬菜研究所王晉芳副研究員和于泳濤副研究員為該論文第一作者，許勇研究員為通訊作者。團隊郭紹貴研究員、張潔研究員、任毅研究員等做出突出貢獻。感謝中國農業大學傅達奇教授團隊提供的番茄slnac-nor基因編輯突變體及對本文提出的寶貴意見。本研究受到國家自然科學基金、北京市農業局項目，北京市農林科學院優秀青年等項目的資助。

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae313