在傳統(tǒng)認(rèn)知中，同義突變（不改變氨基酸序列的DNA變異）由于不影響蛋白質(zhì)功能而長(zhǎng)期被視為“沉默突變”。近年來(lái)陸續(xù)有研究發(fā)現(xiàn)，盡管同義突變不影響蛋白質(zhì)序列，卻影響了諸多轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后的生物學(xué)過(guò)程，然而在多細(xì)胞生物中同義突變能調(diào)控生物性狀的直接遺傳證據(jù)始終缺失。N6-甲基腺苷（N6-Methyladenosine, m6A）是真核生物中最豐富的RNA修飾之一。m6A修飾的動(dòng)態(tài)變化影響RNA的穩(wěn)定性、剪切、翻譯和轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程，然而，m6A修飾決定生物學(xué)性狀的直接遺傳證據(jù)仍然匱乏。

 

　　北京時(shí)間2025年7月1日晚11時(shí)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所楊學(xué)勇研究員、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所黃三文研究員和英國(guó)約翰英納斯中心丁一倞研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊Cell上在線發(fā)表了題為“Recessive epistasis of a synonymous mutation confers cucumber domestication through epitranscriptomic regulation”的重要研究成果。研究首次在遺傳上證明了同義突變可通過(guò)改變m6A修飾和mRNA結(jié)構(gòu)構(gòu)象調(diào)控馴化的重要性狀。

 

　　黃瓜果實(shí)長(zhǎng)度是重要的馴化性狀，直接決定黃瓜產(chǎn)量。黃瓜在由野生種到栽培種的馴化過(guò)程中，果實(shí)長(zhǎng)度增加了數(shù)倍，然而遺傳馴化機(jī)理仍不清楚。實(shí)驗(yàn)室前期通過(guò)QTL定位發(fā)現(xiàn)了位于1號(hào)染色體，貢獻(xiàn)率達(dá)30%的控制果長(zhǎng)的數(shù)量性狀基因座（QTL）FL1。為了克隆目的基因，團(tuán)隊(duì)利用野生黃瓜（hardwickii）和栽培黃瓜（新泰密刺）構(gòu)建了近等基因系群體，發(fā)現(xiàn)FL1控制的短瓜性狀實(shí)際是由兩個(gè)緊密連鎖的QTL（FL1.1和FL1.2）共同決定。出乎意料的是，當(dāng)FL1.2為栽培等位基因時(shí)，無(wú)論FL1.1的基因型，果實(shí)始終是長(zhǎng)瓜，因此發(fā)現(xiàn)了FL1.2對(duì)FL1.1位點(diǎn)的隱性上位性效應(yīng)。通過(guò)固定FL1.2位點(diǎn)為野生等位基因，研究人員篩選了超過(guò)1萬(wàn)個(gè)重組單株，最終發(fā)現(xiàn)了在特定基因型背景下發(fā)揮作用的FL1.1的隱秘突變（cryptic variation）。

 

　　進(jìn)一步研究揭示，F(xiàn)L1.2編碼一個(gè)乙烯合成限速酶ACS2（該團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)了ACS2通過(guò)乙烯劑量精細(xì)調(diào)控果長(zhǎng)的機(jī)制，于2019年發(fā)表于The Plant Cell）。在野生和栽培黃瓜中ACS2存在3個(gè)同義突變，2個(gè)內(nèi)含子突變和1個(gè)在5'UTR區(qū)的Indel變異。研究將目標(biāo)變異鎖定在第三個(gè)外顯子的1287位C>T同義突變，該單個(gè)同義突變可改變ACS2的蛋白水平4-5倍。團(tuán)隊(duì)同時(shí)開(kāi)發(fā)了適用于瓜類(lèi)作物的單堿基編輯工具，將ACS2野生等位基因的1287位的C編輯為T(mén)，導(dǎo)致ACS2蛋白水平降低、黃瓜果實(shí)變長(zhǎng)，從而直接證明了該同義突變的遺傳功能。

 

　　與FL1.2互作的基因FL1.1編碼m6A閱讀蛋白YTH1。研究揭示了ACS2和YTH1上位互作調(diào)控果長(zhǎng)馴化的遺傳機(jī)理：野生黃瓜中，ACS2的1287C同義突變形成了m6A motif（DRACH），增加了臨近1286位A堿基上的m6A修飾水平和ACS2蛋白翻譯效率；YTH1與ACS21287C的m6A修飾互作進(jìn)一步增強(qiáng)了其翻譯效率和乙烯劑量，抑制細(xì)胞分裂，導(dǎo)致果實(shí)變短。在栽培黃瓜中，ACS2的1287T同義突變則破壞了1286位A堿基上m6A修飾，導(dǎo)致ACS2蛋白水平和乙烯劑量降低，細(xì)胞分裂抑制解除，因此果實(shí)伸長(zhǎng)。

 

　　團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了同義突變調(diào)控ACS2翻譯效率的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)m6A修飾和突變導(dǎo)致的mRNA結(jié)構(gòu)變化決定了ACS2翻譯效率的改變。通過(guò)在單分子水平分析ACS2的mRNA結(jié)構(gòu)構(gòu)象的多樣性，發(fā)現(xiàn)相比ACS21287T，野生等位基因ACS21287C主要的mRNA構(gòu)象在突變附近均為單鏈的較松散的狀態(tài)；m6A修飾進(jìn)一步使得其中相對(duì)最緊湊的結(jié)構(gòu)構(gòu)象向更松散的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。因此m6A可能通過(guò)穩(wěn)定并調(diào)節(jié)構(gòu)象轉(zhuǎn)換，維持整個(gè)mRNA的結(jié)構(gòu)平衡。

 

　　值得注意的是，最近Cell刊發(fā)的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，一類(lèi)同義突變可以通過(guò)破壞m6A修飾從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。本研究則首次在機(jī)體水平證明了單個(gè)同義突變通過(guò)m6A修飾和mRNA結(jié)構(gòu)調(diào)控馴化性狀，暗示了同義突變長(zhǎng)久以來(lái)被忽略的重要功能。在作物馴化過(guò)程中，同義突變可能因受到選擇壓力而被保留，通過(guò)改變轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)（如翻譯效率）來(lái)發(fā)揮作用。該研究的結(jié)論挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知，同時(shí)凸顯出同義突變?cè)谧魑锔牧疾呗灾锌赡芫哂兄匾獌r(jià)值。未來(lái)深入研究同義突變?cè)赗NA修飾與結(jié)構(gòu)調(diào)控中的功能，有望為作物改良開(kāi)辟新的路徑。

 

　　中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所楊學(xué)勇研究員，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文研究員和英國(guó)約翰英納斯中心丁一倞研究員為本文的共同通訊作者；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所辛同旭博士、河南大學(xué)張震副教授、英國(guó)約翰英納斯中心張?jiān)卢摬┦亢椭袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所已畢業(yè)碩士生李旭彤為本文的共同第一作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所為論文的第一作者單位和通訊作者單位。芝加哥大學(xué)何川教授對(duì)該研究工作提供了寶貴的意見(jiàn)和技術(shù)支持。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等支持。

 

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