《Horticultural Plant Journal》：Melon fruit development: advances in sugar metabolism, hormonal regulation, and genetic engineering
编辑推荐：
甜瓜（Cucumis melo L.）是一种全球范围内种植的经济上重要的园艺作物，其果实形态特征直接决定作物产量和果实品质。解析甜瓜果实品质的遗传调控因子，连同基因组编辑技术的快速发展，极大地推动了甜瓜果实品质的遗传改良。本综述全面概述了调控关键果实品质属性的
甜瓜（Cucumis melo L.）是一种全球范围内种植的经济上重要的园艺作物，其果实形态特征直接决定作物产量和果实品质。解析甜瓜果实品质的遗传调控因子，连同基因组编辑技术的快速发展，极大地推动了甜瓜果实品质的遗传改良。本综述全面概述了调控关键果实品质属性的分子机制，包括糖积累和植物激素信号通路，以及果实大小的遗传决定因子，重点聚焦于关键功能酶、激素互作和调控转录因子。此外，本综述探讨了有助于靶向甜瓜育种和性状改良的前沿技术创新，例如高分辨率数量性状位点（QTL）定位、精准CRISPR/Cas9基因组编辑、靶向诱导基因组局部损伤（TILLING）平台以及用于优化性状选择的智能信息系统，所有这些均有助于改善果实品质和延长货架期。传统育种策略与先进分子工具及计算表型分析系统的结合，为甜瓜品种育种和开发提供了战略方向。此外，本综述强调了新兴的非破坏性表型技术，这些技术整合了高光谱成像、机器学习分析和三维高光谱形态建模，作为精准、高通量果实成熟度表型分析的强大变革性工具。总体而言，本综述旨在推进对甜瓜果实发育和品质调控的机制性理解，实现甜瓜遗传资源的高效和可持续利用，并建立稳健的价值化策略，以增强甜瓜在波动环境情景下的生产力和果实品质稳定性。
论文主体部分总结如下：
1. 引言
甜瓜（Cucumis melo L.）果实品质主要由蔗糖生物合成与积累决定，这是构成果实甜度和消费者市场偏好的主要碳水化合物。果实的生长和发育依赖于多个生理事件协调作用的生物调控网络。传统育种方法依赖单株选择和纯系选择，但甜瓜狭窄的遗传基础带来了育种瓶颈。高通量测序技术与先进统计计算工具的发展，使全基因组测序得以实现，推动了复杂数量性状（如果实大小）的系统解析。现代数字和传感技术优化了非侵入性检测方案，如机器视觉、可见近红外光谱（Vis/NIRS）和高光谱成像，用于量化果实大小和质量属性。深度学习（DL）作为变革性分析工具，有望替代依赖人工观察和主观评分的传统评价方法。
2. 甜瓜果实发育与糖代谢的遗传调控
2.1. 早期果实发育与成熟
甜瓜果实发育初期包括子房发育、受精和坐果。葫芦科植物中，水苏糖和棉子糖作为半乳糖基蔗糖寡糖，与蔗糖共同作为主要可运输碳水化合物，连接光合源组织和生殖库器官。这些碳水化合物的代谢分解直接决定果实库强度。幼果主要输入水苏糖、棉子糖和蔗糖，未成熟子房组织积累大量可溶性己糖（葡萄糖和果糖）和蔗糖。可溶性糖作为核心调控分子和品质决定因子，其积累动力学受整个植物源-库协调调控。成熟果实中，蔗糖及其水解产物（葡萄糖和果糖）主导可溶性糖谱，总可溶性固形物和总糖含量决定果实甜度。甜瓜种质资源在糖积累方面存在广泛遗传多样性，低糖基因型可溶性固形物含量为3%-5%，高糖品种可达15%-18%。
2.2. 糖代谢关键酶
幼果中蔗糖积累来源于源组织输入的韧皮部蔗糖、转运的半乳糖基蔗糖寡糖水解产物以及库细胞中从头合成的蔗糖。蔗糖积累代谢级联涉及近20种酶促反应，其中关键酶主要决定最终蔗糖浓度。甜瓜等葫芦科植物具有独特的糖代谢系统，以棉子糖家族寡糖（RFO）运输和多步碳水化合物转化反应为特征。蔗糖代谢途径中，蔗糖合酶（SS）和蔗糖磷酸合酶（SPS）作为核心功能酶，调节蔗糖合成代谢，与分解酶转化酶（INV）和SS共同维持合成与分解的动态平衡。多种参与糖代谢网络的酶，包括α-半乳糖苷酶（AGAL）的不同亚型、SPS、INV和SS，其活性变化与果实发育过程中糖含量动态变化显著相关。系统分析表明，近50个基因参与激素调控和转录调控。转录组研究证实，进口转运糖分为两个主要生理用途：即时代谢消耗和液泡储存。不同种质间糖含量的自然变异为探索糖积累遗传调控机制提供了重要研究材料。
3. 植物激素对甜瓜果实大小的调控
坐果和果实发育进程受多种植物激素信号网络协同调控。生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CK）、脱落酸（ABA）和乙烯的时空生物合成与功能激活对生殖生长至关重要。植物激素作为核心上游调节因子，通过精确的分子通路控制触发坐果。激素信号级联调控果实形成过程中糖代谢相关基因的转录表达。此外，其他功能性植物激素如水杨酸（SA）、油菜素内酯（BRs）、茉莉酸（JA）和独脚金内酯也积极参与甜瓜果实糖合成。
3.1. IAA
吲哚-3-乙酸（IAA）通过调控细胞分裂和细胞扩张调节果实发育。IAA的功能由内源激素合成、极性运输和信号感知转导三级调控系统控制。外源IAA诱导的果实具有显著更多的果肉细胞，而赤霉素促进的果实倾向于形成较少但较大的细胞。生长素响应因子SlARF7作为核心调控枢纽，整合生长素和赤霉素信号促进单性结实果实发育。IAA运输和信号转导相关基因被认为是甜瓜单性结实坐果的关键调控因子。
3.2. CK
细胞分裂素（CK）是授粉成功和早期果实形成级联的关键正调控因子。CK与IAA表现出强大的协同互作，增强茎尖分生组织细胞增殖。在拟南芥中，CK介导两条不同的果实发育途径：促进发育中子房中间区域的细胞增殖，并支持果瓣边缘的形态分化。油菜素内酯有助于坐果能力，但其与其他激素调控模块的互作尚不明确。
3.3. GA
赤霉素（GA）是调节坐果的重要辅助激素，与生长素信号模块协同作用。外源GA处理或GA抑制剂应用可直接调控果实形成效率。GA20ox的转录激活或GA2ox酶活性的抑制增强幼果中生物活性GA的积累，从而促进不依赖受精的单性结实果实发育。外源IAA、GA或其类似物可改变激素生物合成基因的转录谱并扰乱内源激素稳态。
3.4. 乙烯
甜瓜属于呼吸跃变型果实，乙烯是调节呼吸跃变型果实成熟的主要激素。乙烯信号通路调控乙烯响应转录因子（TFs）。成熟调控整合了TFs、植物激素和表观遗传修饰的协同作用。在甜瓜中，乙烯是呼吸跃变型果实成熟的主要激素加速器。但许多过程如糖积累、有机酸代谢、可溶性固形物含量等被鉴定为乙烯不依赖。乙烯生物合成涉及编码ACC合酶和ACC氧化酶的多基因家族。果实形态多样化受整合激素信号、糖代谢和转录调控的复杂遗传网络控制。关键分子调控因子包括IAA转运蛋白（PIN、AUX/LAX家族蛋白）、形状控制转录因子（SUN、OFP、WOX、YABBY和AP2）以及结构基因。在甜瓜中，Cm-ERS1 mRNA水平在果实膨大早期升高，后期下降；Cm-ETR1 mRNA在种子和胎座组织中表达增加，与成熟时乙烯生物合成同步。其他激素如CK、BRs和JA也影响受精效率和早期果实起始。CmCLV3基因是决定花和果实发育过程中心皮数量的关键调控因子。IAA通过触发早期生长素响应SAUR基因表达调节果实发育进程。共鉴定出66个CmSAUR家族基因，其中CmSAUR19和CmSAUR58参与果实成熟调控，CmSAUR38和CmSAUR62调节果实甜度。
3.5. 转录因子
果实糖代谢受整合酶促级联和多激素信号互作的复杂调控框架调节。几个关键转录因子（TFs）家族，包括WRKY、MYB、NAC、碱性/螺旋-环-螺旋转录因子（bHLH）和碱性区域/亮氨酸拉链（bZIP），作为上游调控中枢，深刻影响果实糖代谢谱。这些TFs与糖代谢相关基因相互作用，调节糖生物合成、胞间转运和分解代谢。此外，多种生长调控因子共同决定最终果实大小，涵盖细胞壁代谢、细胞周期进程、细胞色素活性、植物激素信号、泛素-蛋白酶体途径和转录调控网络。关键转录因子包括生长素响应因子（ARFs）、乙烯响应因子（ERFs）、bZIP和bHLH蛋白，是调控果实大小形成的分子网络核心组成部分。甜瓜种质资源在果实形态、感官和营养属性方面表现出广泛的表型多态性，为精准育种提供了遗传基础。果实品质评价依赖于一系列表型指标，其中糖积累，特别是蔗糖浓度，是风味的核心决定因素。
4. 甜瓜性状改良技术的进展
近年来，通过不同技术改良果实品质的研究激增。作物育种标记已从传统形态和生化标记发展为高精度分子标记系统。分子标记能识别核苷酸水平的序列变异。尽管基因组技术取得了变革性进展，但许多知识空白仍限制着基因组育种潜力的利用。传统和现代甜瓜育种计划主要针对早熟、适度蔓生、优化雌花比例、提高产量和理想果实形态。杂种优势育种在甜瓜中广泛应用。甜瓜也是研究果实成熟机制的优秀模型，包括呼吸跃变型和非呼吸跃变型基因型。现代基因组技术支持甜瓜品种的靶向育种，核心平台包括全基因组测序、高密度分子标记和全基因组关联研究（GWAS）。
4.1. 甜瓜果实品质的QTL分析育种
过去二十年，通过数量性状位点（QTL）定位和图位克隆技术探索甜瓜种内性状变异的遗传基础。在果实糖含量方面，利用高糖品种‘Dulce’和低糖野生种质PI414723杂交衍生的重组自交系（RIL）群体检测到6个主要QTL。简单序列重复（SSR）标记因稳定性高而广泛使用，但多态性低。高通量测序推动了单核苷酸多态性（SNP）标记的应用。在黄瓜中，功能QTL分析表征了控制圆形果实形态的两个关键位点。在甜瓜中，基于高分辨率裂解扩增多态性序列（CAPS）标记的遗传连锁图谱已鉴定出分布于染色体的24个控制果实发育属性的QTL。现代遗传和基因组技术如双单倍体系（DHLs）、近等基因系（NILs）和高密度饱和遗传图谱极大促进了复杂遗传调控机制的探索。两个关键QTL，ETHQB3.5和ETHQV6.3，调控呼吸跃变型果实成熟和发育进程。ETHQV6.3的功能区间锚定在连锁群VI上4.5 Mb的基因组区间，并功能验证了基因MELO3C016540（CmNAC-NOR）。整个基因组重测序可实现果实品质候选基因的精确筛选和区域精炼，包括JMJ-C、ERF1和bHLH。
4.2. 遗传工程改良果实品质
育种方法显著提高了甜瓜产量和品质，但种间和属间杂交不亲和性仍是主要瓶颈。转基因遗传修饰能够精确调控关键性状，如果实发育动力学、蔗糖代谢、挥发性香气产生、细胞壁重塑、质地硬度和花性别分化。利用农杆菌介导的转基因方法，研究人员异源表达了来自Charentais甜瓜‘Vedrantais’的反义ACC氧化酶基因，显著抑制乙烯生物合成。SAMase修饰的转基因甜瓜在体外条件下乙烯产量降低50%，田间试验未观察到成熟启动延迟，但表现出更均匀的成熟特征和果肉硬度位点特异性变异。
4.3. 基因编辑
现代基因组编辑工具包括锌指核酸酶（ZFN）、转录激活因子样效应核酸酶（TALENs）和CRISPR/Cas9，在编辑精度和操作效率上超越了传统技术如TILLING和同源定向修复（HDR）。CRISPR/Cas9系统因其灵活模块化结构和多重基因编辑能力成为最广泛使用的平台。在甜瓜中，基于发育调控基因AtGRF5的优化转化系统实现了约25%的转化效率。双引物编辑可实现大规模染色体重排，编辑精度超过95%。高效基因组编辑推动了甜瓜果实发育和成熟特性的优化。
4.3.1. 甜瓜中的TILLING技术
靶向诱导基因组局部损伤（TILLING）结合化学诱变和高通量突变检测，鉴定调节关键农艺性状的新等位基因。但TILLING需要大量回交以消除随机背景突变，育种周期长。现代基因组编辑克服了这些限制。利用对比甜瓜遗传背景构建的协同TILLING框架在筛选延长货架期种质方面表现出优异功效。CmACO1的转录抑制有效抑制乙烯依赖型成熟并延长采后寿命。乙基甲磺酸（EMS）诱变的甜瓜群体产生了具有延迟成熟表型和增强储藏耐受性的可遗传CmACO1突变体。
4.3.2. 甜瓜果实改良中的CRISPR/Cas9
CRISPR/Cas9系统可在甜瓜中进行多等位基因突变，例如在CmPDS基因的两个靶位点恢复白化表型。研究人员敲除了与果实大小相关的elF4E、CTR1和ROS1基因。在ETHQV6.3 QTL区间内，鉴定出作为去甲基化酶的ROS1（MELO3C024516）和负向成熟调控因子CTR1-like（MELO3C024518）。CmROS1敲除突变体显示果实成熟过程中全基因组DNA甲基化和去甲基化稳定性增强。在呼吸跃变型甜瓜品种中，产生了两个CRISPR/Cas9编辑的突变体系nor-1和nor-3，其中nor-1突变体完全抑制了呼吸跃变型成熟性状，包括乙烯产生消失、离层形成失败和果皮颜色不变，表明CmNAC-NOR是调控甜瓜货架期和采后保鲜的有前景的靶基因。
5. 人工智能是果实发展的高级步骤
5.1. 机器学习（ML）
植物表型分析整合了田间、温室和实验室环境的多场景数据。人工智能（AI）通过定量分析数字图像提取表型性状。机器学习（ML）作为AI的核心分支，利用系统分析工具挖掘高维表型数据，分类表型变异，提取新形态特征，预测作物生长趋势。AI辅助的高通量表型系统已广泛应用于园艺作物研究，实现果实发育和品质的动态监测。传统的可溶性固形物含量和水分含量评估方法成本高且耗时。ML已被用于识别与特定性状相关的基因组区域，如QTL定位。基于AI的QTL方法如贝叶斯网络、深度学习、支持向量机（SVM）和随机森林（RF）可高效处理复杂基因组数据集。梯度提升决策树（GBDT）方法被用于分析和预测影响甜瓜产量、糖含量和硬度的特征重要性。随机森林（RF）和支持向量回归（SVR）等回归模型被评估预测性能。机器学习系统被用于分类甜瓜果实发育阶段，识别具有良好口感和质地的果实。
5.2. 高光谱成像（HSI）
高光谱传感器显著提高了检测细微光谱变化的精度和效率。高光谱成像（HSI）包含两个空间维度和一个光谱维度，覆盖数百个电磁波谱波段。尽管运行成本高，实验室HSI生成了高质量基准数据。针对高光谱数据优化的ML算法可适应便携式传感器数据集。HSI技术已发展为分选和分级水果的有效工具，用于评估果实成熟度和采后加工活动。可见近红外（Vis/NIR）光谱技术通过量化基频和组合激发产生的吸收带，阐明理化键（C-H、O-H、N-H），随后将光谱与化学成分关联以评估果实发育。对于厚皮大果实如甜瓜，漫反射是主要检测模式。高光谱数据被广泛用于机器学习分类模型进行果实成熟度评估，包括支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）、软独立建模分类法（SIMCA）和线性判别分析（LDA）。全表面高光谱检测方法通过旋转样品实现，但机械运动可能导致信号干扰。多镜面无运动多角度成像可实现对悬挂甜瓜的全面表面成像。
5.3. 基于3D成像的果实品质评估
高光谱3D成像技术可识别和测量果树上果实的形状和大小，并监测大面积植物生长状况。立体视觉和3D扫描设备已被用于重建完整作物田块，估算植株高度、叶面积和果实密度。3D成像重建模型能有效预测和测量形态信息。最近开发了一种漫反射检测技术用于评估甜瓜果实，使用定制设计的漫反射探头将卤素光源光子导向果实表面，并将收集的漫反射光子传输至两个光谱仪（USB4000和NIR512），随后计算机进行定量分析。通过比较实验测量和模拟漫反射曲线，计算决定系数（R
2）评价相关性。
6. 结论与未来展望
甜瓜（Cucumis melo）改良受基因组编辑、高通量表型和人工智能推动。CRISPR/Cas9基因组编辑和基于机器学习的高通量表型分析等先进工具可实现靶基因功能验证，加速关键农艺性状的遗传改良。果实成熟受复杂的多层分子调控网络调节，许多细微的关键调控机制仍不清楚。多传感器融合策略对于同时准确评估多个品质参数至关重要。集成机器视觉（MV）和可见近红外光谱（Vis/NIRS）的商业在线检测系统已用于大规模品质分选。未来应优先开发面向消费者的移动应用程序，并优化模型以适应动态环境变化。从遮挡区域恢复信息和提取多维三维（3D）表型特征的技术突破将释放下一代检测技术的全部潜力，实现高精度实时表型系统和智能分选设备。
