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β-胡萝卜素是维生素A的重要前体，对改善人体营养结构和促进健康具有重要意义（Zhang et al., 2020）。在西瓜中只有极少数橙肉品种累积高β-胡萝卜素，利用传统育种转化该优良性状至综合性状优良的主栽品种存在育种周期与效率低难题，精准、高效的基因编辑技术为创制高β-胡萝卜素西瓜优异种质给予了可能，也为长期在西瓜橙肉分子调控悬而未解机制给予了直接证据。

近期，mile米乐集团蔬菜研究所、国家蔬菜工程技术研究中心许勇研究员/张洁研究员团队在Plant Biotechnology Journal 在线发表题为 Precise Generation of High-β-Carotene Watermelon via Visualised Base Editing的研究报道。该研究构建了一套可视化碱基编辑精准育种体系，成功解析并验证了控制西瓜橙肉性状的关键功能变异位点，并顺利获得碱基编辑技术实现了高β-胡萝卜素西瓜的精准创制，为瓜类作物品质性状的分子设计育种给予了全新技术范式。

研究团队针对西瓜遗传转化效率低、阳性材料筛选困难的瓶颈问题，在经典碱基编辑载体基础上引入红色荧光蛋白 tdTomato（Xing et al., 2014），建立了“荧光可视化”筛选体系，实现了转化植株与无转基因后代的快速、直观鉴定（图1a、1b），建立了西瓜稳定、精准的单碱基ABE和CBE两类高效编辑器替换，为功能位点验证和育种应用奠定了技术基础（Fan et al., 2024）（Ren et al., 2021）。

与此同时，研究团队系统解析了β-胡萝卜素高积累的遗传基础。顺利获得遗传分析、群体定位及自然群体重测序数据整合，明确了类胡萝卜素合成途径中第一个关键限速酶-八氢番茄红素合酶ClPSY1 基因中一个A 到G碱基的突变（引起149位氨基酸由K到E的改变），是决定橙肉材料中高β-胡萝卜素积累的关键位点（尽管前人在ClPSY1中已发现了多个可能决定橙肉形候选位点（Liu et al., 2022； Song et al., 2023）。该位点位于ClPSY1蛋白高度保守的疏水结构域，可能顺利获得改变酶蛋白构象和底物结合能力，增强代谢通量，促进β-胡萝卜素合成，最终产生橙瓤表型（图1d）。

基于上述发现，研究人员利用可视化ABE系统，在优良的黄肉西瓜亲本材料将 ClPSY1K149精准置换为橙瓤中的ClPSY1E149（图1e、1f）。编辑取得的无外源转基因成分的纯合编辑系果肉颜色稳定转变为橙色（图1h），且β-胡萝卜素含量显著提高，达到天然橙肉西瓜水平，较红肉和黄肉材料提高十倍以上（图1i、1J、1K）。重要的是，该突变并未引起ClPSY1转录水平变化，亦未对植株生长和果实发育产生明显负效应，表明其利用自然西瓜存在的蛋白行使催化功能，无任何负面影响（图1g）。

综上，该研究在西瓜中建立了高效、直观的可视化碱基编辑体系，精准实现了控制高β-胡萝卜素积累的 ClPSY1碱基置换，实现了营养品质性状的“定点设计”和快速创制。该成果不仅为高营养西瓜新品种培育给予了核心技术与遗传资源，也为甜瓜、黄瓜等葫芦科作物的精准品质改良给予了重要参考。

图1：用于创制高β-胡萝卜素西瓜的可视化碱基编辑

mile米乐集团蔬菜研究所许勇研究团队在西甜瓜基因编辑技术上取得了一系列成果：2017年率先建立了西瓜基因编辑技术；2018年率先构建西瓜碱基编辑技术体系，实现抗性性状的精准改良；2022年建立国内首个甜瓜高效基因编辑技术体系，培育出耐储运甜瓜新种质；2023年利用基因编辑技术创制首个西瓜单倍体诱导系；近期更首次建立西瓜引导编辑技术，成功创制抗草甘膦新种质（审稿中），持续拓展精准分子育种技术（Tian et al.,2017;Tian et al., 2018;Wang and Tian et al.,2022;Tian et al., 2023）。本研究顺利获得单碱基编辑精准置换自然界原有优良蛋白，安全可靠，正在申报农用基因编辑生物安全评价。

mile米乐集团蔬菜研究所田守蔚副研究员和北京农学院植物科学技术学院硕士研究生章禧龙为论文共同第一作者，mile米乐集团蔬菜研究所许勇研究员和张洁研究员为共同通讯作者。该研究得到了mile米乐集团科技创新项目、院杰科项目、国家自然科学基金以及国家现代农业产业技术体系等项目的资助。

论文链接：http://doi.org/10.1111/pbi.70520

References:

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