隐性上位效应的同义突变通过表观转录组调控介导黄瓜驯化

研究人员发现黄瓜驯化过程中，隐性上位基因YTH1（m6A阅读蛋白）与ACS2（ACC合成酶）通过同义突变1287C>T调控果实长度。该突变破坏m6A甲基化并改变RNA二级结构，降低翻译效率，最终导致果实伸长。这一发现为同义突变通过表观转录机制（m6A和RNA结构）调控性状提供了直接遗传证据，发表于《Cell》。

　　

研究背景与意义
在生物进化与作物驯化过程中，同义突变长期被视为"沉默突变"，因其不改变编码氨基酸序列而被认为对性状无显著影响。然而近年研究发现，同义突变可能通过影响mRNA剪接、翻译效率（TE）或RNA结构等表观转录组机制调控基因表达。特别是在人类疾病和酵母中，同义突变的生物学效应逐渐被揭示，但在多细胞生物中缺乏直接遗传证据。与此同时，RNA修饰N⁶-甲基腺苷（m⁶A）作为真核生物信使RNA的重要修饰，通过"读写擦"系统（writer/reader/eraser）调控转录后过程，但其如何通过RNA结构影响生物性状仍不清楚。

黄瓜（Cucumis sativus）果实长度是关键的驯化性状，与产量直接相关。中国农业科学院蔬菜花卉研究所团队前期定位到控制果实长度的数量性状位点FL1，但其分子机制尚未阐明。野生黄瓜（C. sativus var. hardwickii）果实短圆，而栽培种（如新泰密刺）果实细长，这为研究驯化过程中同义突变的生物学效应提供了理想模型。

关键技术方法
研究采用精细定位（8,000个体群体）结合基因编辑（CRISPR-Cas9和CBE碱基编辑）鉴定关键基因；通过m⁶A测序（m⁶A-seq）、单碱基分辨率eTAM-seq和SELECT技术检测RNA修饰；利用FA-CLIP分析YTH1与ACS2 mRNA结合；采用核糖体图谱（Ribo-seq）评估翻译效率；结合体内单分子RNA结构分析（smStructure-seq）和能量计算（ΔG_unfold）解析构象多样性。

研究结果

1. 两个隐性上位互作基因控制黄瓜驯化
通过构建野生型（hardwickii）与栽培种（Xintaimici）的回交群体，发现FL1位点包含两个紧密连锁的基因FL1.1和FL1.2。遗传分析显示FL1.2^C对FL1.1^W呈隐性上位效应，即仅当FL1.1^W存在时，FL1.2^C才能显著增加果实长度（图1E）。细胞学分析表明这种伸长源于细胞数量减少而非细胞大小变化。

2. 同义突变1287C>T是FL1.2的功能变异
精细定位将FL1.2锁定在ACS2基因（编码ACC合成酶），该基因参与乙烯合成。尽管ACS2^W和ACS2^C的mRNA水平无差异，但免疫印迹显示ACS2^W蛋白丰度更高（图2B）。双荧光素酶实验证实，第三个同义突变1287C>T（位于第1287位胞嘧啶→胸腺嘧啶）是决定翻译效率的关键变异（图2D）。群体分析显示1287C仅存在于野生黄瓜中，表明其在驯化中被选择。

3. YTH1^W是FL1.1的因果基因
FL1.1被鉴定为编码m⁶A阅读蛋白YTH1。栽培种中YTH1^C因起始密码子突变丧失功能域（图3B-D）。CRISPR敲除实验证实YTH1^W仅在ACS2^W背景下缩短果实，验证了其隐性上位关系（图3H）。

4. 同义突变通过m⁶A和RNA结构调控翻译
m⁶A-seq和FA-CLIP发现ACS2^W在1287C附近存在m⁶A修饰峰，且YTH1^W特异性结合该位点（图4A-B）。单碱基分辨率检测（eTAM-seq）确认A¹²⁸⁶的m⁶A修饰（~18%），而1287T突变完全消除该修饰（图4H-J）。

RNA结构分析揭示：

• ACS2^1287C形成松散构象（高DMS反应性），而1287T导致紧凑结构（图5D）
• m⁶A缺失（ALKBH10B处理）使构象稳定性增加（ΔΔG=7.57），降低TE（图5G）
• YTH1结合推动构象向最弱折叠态（C1）转变，进一步提升TE（图5H）

结论与意义
该研究首次在作物驯化中揭示同义突变通过表观转录组（m⁶A）和RNA结构双重调控性状的分子机制：野生型ACS2^1287C通过m⁶A修饰形成松散RNA构象，被YTH1识别后增强翻译，促进乙烯合成从而抑制细胞分裂；驯化选择的1287T突变破坏这一调控模块，导致果实伸长（图5）。

这项发表于《Cell》的工作由Xueyong Yang、Sanwen Huang和Yiliang Ding团队合作完成，其重要意义在于：

1. 为同义突变通过RNA修饰和结构调控复杂性状提供直接遗传证据
2. 拓展了对作物驯化分子机制的理解，提出"同义突变驯化"新范式
3. 单分子RNA结构解析技术（DAVINCI）为研究表观转录调控提供新工具
4. 为作物改良提供新策略——通过精准编辑同义位点调控目标性状而不改变氨基酸序列