Plant Physiol | DAP-seq和RNA-seq联合助力揭示黄瓜皮色调控新机制
2025-06-23 来源:本站 点击次数:171研究背景
黄瓜不仅为全球十大蔬菜之一，也是中国重要的蔬菜作物之一，具有重要的经济价值。果皮颜色是黄瓜品质性状的重要标准，它能够大大影响消费者的选择，具有重要的商品价值。果皮的颜色主要取决于色素的含量和形成，其中叶绿素、类胡萝卜素和类黄酮化合物等的含量是影响果皮颜色的主要因素。目前虽已鉴定出多个调控果皮颜色的基因，但其参与颜色调控的分子机制尚不明确。
文献解读
2025年6月，中国农业大学任华中/刘兴旺团队在Plant Physiology发表了题为“The transcription factor CsAPRR2 controls peel color by regulating the expression of SULFURTRANSFERASE14 in cucumber”的研究论文。本研究借助RNA-seq技术成功挖掘到控制黄瓜商品瓜皮色黄化的关键基因CsAPRR2，同时利用DAP-seq联合RNA-seq分析解析了其在全基因组水平的DNA结合位点，揭示其调控黄瓜皮色的分子机制，为深入理解植物果实皮色形成的分子基础提供了新的视角，同时也为利用基因编辑技术调控黄瓜果实外观品质提供了重要的理论依据和实践指导。
技术路线
研究结果
研究团队通过多代自交培育出仅皮色不同的近等基因系6101-11（黄皮）和6101-12（绿皮）。表型分析显示，两者从开花当天起叶绿素含量出现显著差异；电镜观察表明，6101-11因叶绿体发育异常导致叶绿素合成减少而呈黄色。遗传分析证实黄皮为单基因隐性性状，通过BSA-seq分析，在3号染色体末端定位到2.73Mb区间，再经Indel标记筛选将目标基因缩至198.7kb区域。结合RNA-seq分析，从3959个差异基因中筛选出5个候选基因，其中Csa3G904140（CsAPRR2）因单碱基插入导致C端缺失101个氨基酸、丢失Golden2-Like结构域，且与甜瓜皮色调控基因CmAPRR2亲缘关系近，确定其为调控黄瓜皮色的候选基因。
图1. 黄皮突变体的表型特征。
图2. 基于图谱克隆的CsAPRR2基因。
图2. 基于图谱克隆的CsAPRR2基因。
研究采用CRISPR/Cas9技术在CsAPRR2第10、11外显子设计靶点，获得三个纯合突变株，其Golden2-Like结构域缺失。突变体表现出果皮、茎秆和叶柄黄化，叶绿素含量降低，叶绿体体积缩小、膜结构模糊、基粒异常且无淀粉颗粒等表型，虽然叶绿体数量不变，但营养物质含量下降，证实CsAPRR2是黄皮核心基因。亚细胞定位显示，CsAPRR2定位于细胞核，突变后出现在细胞膜、细胞核和叶绿体。酵母实验和双荧光素酶系统证实其具有转录激活活性，突变体活性减弱。
图3. CsAPRR2基因在黄瓜中的功能验证。
图4. CsAPRR2的亚细胞定位与转录活性。
图4. CsAPRR2的亚细胞定位与转录活性。
为深入解析CsAPRR2介导的果皮黄化分子机制，作者通过RNA-seq分析，筛选到5146个差异基因，GO富集分析显示这些基因主要富集于叶绿体等组分及光合作用相关过程；WGCNA分析筛选出与皮色正相关的绿色模块，并得到113个核心网络基因。通过DAP-seq分析，发现其结合峰值主要富集于基因转录起始位点（TSS）上下游2kb区域，最显著结合基序为ATCGTTTAGATTTGG。结合RNA-seq数据，筛选出103个共同基因作为直接靶基因，GO富集分析显示这些基因显著富集于叶绿体、类囊体等细胞组分。经RT-qPCR验证，发现csaprr2突变体中6个叶绿体相关基因表达显著下调，其中Csa3G238120（CsSTR14）因在突变体中表达差异显著、参与硫代谢及铁硫簇组装，且存在于WGCNA绿色模块，被确定为CsAPRR2的直接靶基因。进一步通过酵母单杂交、双荧光素酶报告基因、EMSA实验及表达模式与亚细胞定位分析，证实CsAPRR2能特异性结合CsSTR14启动子的E1元件并激活其表达。在突变植株中，csaprr2的转录激活能力降低，尽管结合位点没有变化，但突变后的APRR2对CsSTR14启动子区域的结合亲和力显著减弱，导致CsSTR14表达下调，进而影响了黄瓜果皮中硫的运输，最终影响叶绿体结构的发育，造成果皮黄化。这一发现不仅为深入理解果皮颜色形成的分子机制提供了新的视角，同时为硫代谢调控叶绿体发育的研究拓展了新的方向。
图5. 黄瓜CsAPRR2结合基因的全基因组分析。
图6. CsAPRR2直接结合CsSTR14并激活其表达。
图7. CsAPRR2通过调控黄瓜中CsSTR14基因的表达来影响黄瓜果皮颜色。
图6. CsAPRR2直接结合CsSTR14并激活其表达。
图7. CsAPRR2通过调控黄瓜中CsSTR14基因的表达来影响黄瓜果皮颜色。
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