葫芦科作物MYB基因家族大规模分析揭示调控株高的新基因CsRAX5

本研究针对葫芦科作物株高调控机制不明的问题，通过94个基因组的大规模分析鉴定出16,317个MYB基因，发现全基因组复制(WGD)是主要扩增机制(41.9%)。研究人员通过系统发育和共表达网络分析锁定S2分支的CsRAX5基因，CRISPR/Cas9编辑证实其负调控株高功能：敲除株增高80cm而过表达株矮化40%。该研究为葫芦科株高育种提供了新靶点，发表于《Horticulture Research》。

　　

在农业生产中，葫芦科作物的株高直接影响产量管理和光能利用率。然而，与禾本科作物相比，葫芦科株高调控基因的挖掘明显滞后。此前研究多局限于单个物种或R2R3亚家族，缺乏系统性比较分析。更关键的是，虽然已知拟南芥MYB37(RAX1)调控侧枝发育，但其在葫芦科中的同源基因功能尚未明确，导致株高分子育种缺乏有效靶点。

青岛农业大学园艺学院的研究团队通过整合94个葫芦科基因组（涵盖黄瓜、西瓜等11个物种），开展了迄今为止最大规模的MYB基因家族分析。研究发现WGD事件塑造了41.9%的MYB基因，而核心基因在共表达网络中占比高达93.4%，揭示了功能保守性。通过跨物种系统发育将16,317个基因划分为32个亚家族后，研究人员锁定S2分支的CsRAX5——拟南芥MYB37的同源基因。对103份黄瓜种质的启动子分析发现，-204bp处的A/AG多态性与节间长度显著相关。

研究采用CRISPR/Cas9构建敲除系Csrax5#1/#2，其株高增至野生型(WT)的2倍（80cm vs 40cm），节间延长1-2cm；而35S启动子驱动的过表达株系OE#1/OE#2则矮化40%（20cm vs 34cm），证实CsRAX5的负调控作用。该成果不仅填补了葫芦科株高调控网络的空白，更首次揭示RAX类基因在株高控制中的新功能，为分子设计育种提供了新工具。论文发表于《Horticulture Research》。

关键技术包括：1）基于94个基因组的泛基因组分析；2）OrthoFinder构建系统发育树；3）共表达网络（PCC>0.95）筛选核心基因；4）103份黄瓜自然群体启动子变异检测；5）双靶点CRISPR/Cas9编辑和CaMV 35S过表达载体构建。

结果解读

MYB基因鉴定与分类

通过HMMER和BLASTP联合分析，从11个物种中鉴定出16,317个MYB基因。R2R3-MYB占比最高（23个分支），而R4型仅1个分支。染色体分布显示Sechium edule的5号染色体含36个基因，显著多于9号染色体（4个），暗示重组热点的影响。

复制事件分析

WGD占主导（41.9%），核心基因中WGD事件达2,873次。软核心基因更倾向分散复制(DSD,2,130次)，而串联复制(TD)仅占1.8%。Ka/Ks分析显示特异基因受正选择（中位数0.38），显著高于核心基因（0.21，p<0.05）。

共表达网络特征

黄瓜179个MYB基因中，CsaV3_1G031310关联基因最多（1,280个）。核心基因虽仅57个却覆盖93.4%核心功能，而壳基因仅占22.9%。

CsRAX5功能验证

启动子-204bp的A→AG突变使节间长度增加1.5cm。RT-qPCR显示CsRAX5在茎尖低表达，与表型负相关。编辑株节间细胞纵向扩展显著，而过表达株维管束发育受阻。

讨论与意义

该研究突破传统单基因组分析局限，首次通过泛基因组揭示WGD是葫芦科MYB进化的核心动力。发现CsRAX5通过抑制节间伸长负调控株高，拓展了RAX基因的功能认知——不同于拟南芥中调控侧枝起始的经典功能。启动子自然变异为分子标记开发奠定基础，而40%的株高调节幅度展示出重要育种价值。未来可结合DAP-seq解析CsRAX5下游网络，推动葫芦科株高精准调控。