《International Journal of Biological Macromolecules》：Mutation of Mg-chelatase subunit I causes distinct phenotypes of chlorophyll accumulation and seedling etiolation in watermelon (Citrullus lanatus) and melon (Cucumis melo)
编辑推荐：
氯叶绿素合成基因ChlI的SNP突变导致西瓜和甜瓜叶黄化表型差异。研究发现水生ChlI基因H359R突变导致致死性叶黄化，而甜瓜T193A突变仅表现为非致死性叶黄化。突变体中ChlI蛋白结构异常及与ChlD蛋白相互作用减弱，且水生突变体相关蛋白和代谢物丰度显著低于甜瓜。多组学分析揭示了基因突变与表型关联的新证据。
Jianfei Song|Jianli Shang|Xiaoxu Han|Zhenshuai Wang|Dan Zhou|Nannan Li|Mengya Cao|Yuan Lu|Lanying Lu|Shuangwu Ma|Na Li
中国农业科学院郑州果树研究所园艺作物种质创新与利用国家重点实验室，河南省郑州市，450009
摘要
叶绿素的生物合成对植物的生长发育至关重要，因为它直接调节光合作用能力。在这里，我们发现了在西瓜（致死）和甜瓜（非致死）中表现出叶绿素缺乏和类囊体堆叠异常的黄色突变体，并将这些性状定位到ChlI基因中的SNP（西瓜中的H359R，甜瓜中的T193A），该基因编码Mg螯合酶亚基I。在西瓜中抑制ClChlI，在甜瓜中抑制CmChlI会导致叶绿素积累减少和叶片变黄。此外，突变的ChlI表现出自体蛋白质结构改变，以及与自身和ChlD的相互作用能力减弱，尤其是突变的ClChlI。与甜瓜突变体相比，西瓜突变体的叶绿素b生物合成和光合作用相关蛋白质及代谢物的含量显著降低。总之，我们的发现为进一步研究ChlI的结构-功能关系奠定了坚实的基础，并有助于精确遗传改良作物的农艺性状。
引言
叶绿素的生物合成对光合作用、叶片发育和植物生长至关重要。叶片颜色突变体会表现出白色、黄色或黄绿色表型[1]。这些突变体大多源于Mg螯合酶的突变，Mg螯合酶是叶绿素合成中的限速酶，负责将Mg2+和Proto-IX催化生成Mg-Proto-IX[2]。Mg螯合酶由三个核心亚基组成，即ChlD、ChlH和ChlI，其中任何一个亚基的缺乏都会影响叶绿素的合成[3]。其中，ChlI主要负责酶促反应中的ATP水解，并为Mg螯合反应提供能量[4]。迄今为止，在拟南芥[5]、水稻[6],[7]、大豆[8],[9]和茶（Camellia sinensis）[10]中已经报道了几种ChlI缺乏的突变体，这些突变体都表现出叶绿素积累减少以及叶片呈现黄色、黄绿色、淡绿色或金黄色表型。然而，ChlI的过表达可以增加茶和六倍体小麦中的叶绿素积累[4],[11]，这证实了其在叶绿素合成中的作用。尽管ChlI的作用已经相对明确，但其不同结构域的突变是否对表型有不同影响仍不清楚。西瓜（Citrullus lanatus）和甜瓜（Cucumis melo）是世界上最受欢迎的水果，属于葫芦科植物。在西瓜和甜瓜中已经鉴定出多种叶片颜色突变体。Zhu等人将一种黄色叶片突变基因定位到第2号染色体上，并随后确定了三个候选基因[12]。Haileslassie等人发现，FstH细胞外蛋白酶家族中的一种SNP控制着西瓜叶片延迟变绿的现象[10]。西瓜中的BALANCE OF CHLOROPHYLL METABOLISM (ClBCM)基因及其转录因子（TF）ClWRKY通过调控叶绿素降解来调节叶片从绿色变为黄色的过程[13]。在甜瓜中，CmYGP基因中的移码突变导致植株呈现黄绿色[14]。然而，到目前为止，尚未在西瓜或甜瓜中报道过ChlI突变体。
在这项研究中，我们发现了西瓜（致死）和甜瓜（非致死）中的黄色叶片突变体，并将这两种黄色表型都定位到了ChlI基因上的SNP。我们进一步明确了ChIl在甜瓜和西瓜中的作用，并通过多组学分析初步分析了突变位点与表型之间的关联，为ChlI在调节叶绿素生物合成中的作用提供了新的证据。
植物材料
从具有正常绿色叶片表型的野生型（WT）西瓜种质Sugarlee中分离出一种黄绿色幼苗突变系（Sugarlee-YG）。Sugarlee-YG的自交产生了三种不同表型的分离群体：正常绿色叶片（Sugarlee，WT）、黄绿色叶片（与Sugarlee-YG一致，F1型）和致死性黄色叶片（突变型）。
"C40"和"T27"是具有黄色叶片（突变型）和正常绿色叶片表型的甜瓜近交系。
西瓜和甜瓜幼苗黄化突变体的表型和遗传分析
从具有正常绿色叶片表型的西瓜种质Sugarlee中分离出一种黄绿色叶片表型的系，命名为"Sugarlee-YG"（F1，图1A）。然后对其进行自交，产生了107个个体的F2群体，这些个体分为三种表型（表1）：24个正常绿色（WT），50个黄绿色（F1型）和33个致死性黄色（突变型，发芽后约10天死亡）。分离比例符合孟德尔遗传规律，为1:2:1（χ2讨论
叶片黄化突变体是研究叶绿素生物合成的理想模型，在多种物种中都有发现[25],[26],[27]。在这里，我们也在西瓜和甜瓜中发现了叶片黄化突变体，这些突变体表现出叶绿素合成受损、叶绿体结构紊乱和光合作用减弱（图1和S1）。值得注意的是，西瓜突变体是致死的，而甜瓜突变体仍然具有相对的活力和可育性（图1）。ChlI编码Mg螯合酶亚基I。
CRediT作者贡献声明
Jianfei Song：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法学，研究，数据管理。Jianli Shang：验证，资源获取，方法学，研究，数据管理。Xiaoxu Han：验证，方法学，研究。Zhenshuai Wang：方法学，研究。Dan Zhou：研究。Nannan Li：研究。Mengya Cao：研究。Yuan Lu：研究。Lanying Lu：研究。Shuangwu Ma：资源获取，项目管理，概念构思。利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了
中国农业科技创新计划（CAAS-ASTIP-2024-ZFRI）和
中国作物种质资源特殊保护与利用、
国家园艺种质资源中心（NHGRC2025-NH00-3）的支持。
