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为解析西瓜果肉颜色变异的分子机制，研究人员利用单核苷酸多态性（SNP）和结构变异（SV）标记构建遗传图谱，发现 ClLCYB 基因 SNP 和 ClREC2 启动子区拷贝数变异（CNV）共同解释 99.7% 颜色变异，提出 “双开关” 模型，为植物类胡萝卜素调控研究及育种提供新方向。
西瓜作为全球重要的园艺作物，其果肉颜色丰富多样，涵盖白色、黄色、珊瑚红到 Scarlet 红等表型。然而，这些颜色变异背后的遗传基础和分子机制长期未被完全解析。此前研究虽鉴定出一些控制果肉颜色的遗传位点，如 B、c、i-C 等，也发现 Lycopene β-Cyclase（ClLCYB）基因的单核苷酸多态性（SNP）可导致红色果肉表型，但对于 Scarlet 红与珊瑚红之间的差异，以及黄色果肉形成的分子机制仍存在空白。此外，结构变异（SV）在植物性状调控中的作用逐渐被重视，但西瓜全基因组范围内的 SV 研究尚未见报道，这限制了对果肉颜色等复杂性状的深入理解。
为填补这些研究空白，中国农业科学院郑州果树研究所联合国内多所科研机构及新西兰植物与食品研究所的研究人员开展了相关研究。团队以珊瑚红果肉的西瓜优良品种 DR117 为材料，通过 PacBio 长读长测序和 Bionano 光学图谱技术，组装出染色体级别的高质量参考基因组。随后，对 196 份西瓜核心种质进行深度重测序，结合 SNP 和 SV 标记构建整合遗传图谱，系统解析果肉颜色变异的遗传基础。研究成果发表在《Molecular Horticulture》。
研究中主要采用的关键技术方法包括：一是基于 PacBio 和 Bionano 的基因组组装技术，获得 DR117 的高质量基因组；二是对 196 份西瓜核心种质（涵盖野生种和栽培种）进行全基因组重测序，检测 SNP 和 SV 变异；三是利用全基因组关联分析（GWAS）和数量性状位点（QTL）定位，结合转录组、代谢组和基因功能验证（如病毒诱导的基因沉默 VIGS 技术），解析关键基因的调控机制。
研究结果
1. 高质量基因组组装与遗传变异检测
通过 PacBio 长读长测序和 Bionano 光学图谱，成功组装出 DR117 基因组，其 scaffolds N50 达 35.2 Mb，包含 11 条染色体，覆盖预估基因组大小的 98.88%。基因注释显示，该基因组编码 24,839 个蛋白编码基因。对 196 份种质的重测序分析，鉴定出 2449 万余个 SNP 和 1.1 万余个 SV，包括缺失、重复、倒位和易位等类型。系统发育分析表明，栽培西瓜（C. lanatus）可分为四个地理群组，且果肉颜色分布与群组相关，如 Group2 多为珊瑚红，Group3 和 4 多为 Scarlet 红。
2. 果肉颜色相关遗传变异的鉴定
GWAS 分析在染色体 4、6 和 10 上检测到与果肉颜色相关的信号。其中，染色体 4 上 ClLCYB 基因的 SNP（S4_15004427）为非同义突变，导致第 226 位氨基酸由苯丙氨酸变为缬氨酸，该变异与此前报道一致，可阻断 Lycopene 向 β- 胡萝卜素的转化，积累红色素 Lycopene。染色体 6 上的 SV（SV6_24272046）位于 REDUCED CHLOROPLAST COVERAGE 2（ClREC2）基因启动子区，为 1.2 kb 片段的三倍重复拷贝数变异（CNV）。携带该 CNV 的 Scarlet 红品种中，ClREC2 表达显著上调，且与类胡萝卜素合成基因（如 ClGGPPS、ClPDS）及质体球相关基因（ClCHRC、ClPAPs）的表达正相关，表明 CNV 通过增强启动子活性促进基因表达。
3. ClREC2 的功能验证与调控机制
双荧光素酶报告实验显示，含三倍重复 CNV 的启动子活性显著高于无重复的启动子。qRT-PCR 和转录组分析证实，Scarlet 红品种中 ClREC2 的转录水平是珊瑚红品种的数倍。病毒诱导沉默 ClREC2 后，西瓜植株中类胡萝卜素合成基因表达下调，表明 ClREC2 正调控类胡萝卜素合成。超微结构观察发现，Scarlet 红果肉的质体球数量显著多于珊瑚红，且总类胡萝卜素（尤其是 Lycopene）含量更高，进一步支持 ClREC2 通过促进质体发育和色素积累影响果肉颜色。
4. “双开关” 遗传模型的提出
综合基因组、转录组和代谢组数据，研究提出 “双开关” 模型：ClLCYB 的 SNP（开关 1）决定类胡萝卜素类型（黄色 β- 胡萝卜素 vs 红色 Lycopene），而 ClREC2 的 CNV（开关 2）调控红色素含量（珊瑚红 vs Scarlet 红）。具体而言，白色果肉对应两开关均 “关闭”（野生型等位基因），黄色果肉为 ClREC2 “开启” 而 ClLCYB “开启”（野生型 ClLCYB 促进 β- 胡萝卜素合成），珊瑚红为 ClLCYB “关闭” 而 ClREC2 “关闭”（中等 Lycopene 积累），Scarlet 红为两开关均 “关闭”（ClLCYB 突变阻断转化，ClREC2 CNV 增强 Lycopene 合成）。该模型在 314 份种质中解释了 99.7% 的颜色变异。
研究结论与意义
本研究通过多组学整合分析，首次在西瓜中鉴定出 ClREC2 启动子区 CNV 作为调控果肉颜色的关键结构变异，并阐明其与 ClLCYB SNP 协同作用的 “双开关” 机制。这一发现不仅揭示了西瓜果肉颜色分化的分子基础，还为植物中结构变异调控复杂性状提供了新案例。研究构建的高质量基因组和遗传图谱，为西瓜分子育种提供了重要工具，可通过标记辅助选择（MAS）定向改良果肉颜色和类胡萝卜素含量，提升果实营养品质。此外，对 ClREC2 和 ClLCYB 调控网络的解析，为理解植物类胡萝卜素合成与质体发育的调控机制提供了新视角，具有重要的理论和应用价值。
