《Plant Science》：A single nucleotide deletion in
CsSCP4 disrupts brassinosteroid biosynthesis and confers a super compact phenotype in cucumber
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黄瓜 dwarf突变体scp159的分子机制研究揭示CsSCP4基因编码的CYP90C1酶在 brassinosteroid（BR）生物合成中起关键作用，突变导致BR水平下降，植株显著矮化，外源应用brassinolide可缓解表型。转录组分析显示BR信号通路正向调控因子（BAK1、BSK）下调，负调控因子（BKI1）上调，并影响生长素和赤霉素相关基因表达。该研究为黄瓜紧凑型品种培育和BR代谢调控提供了新依据。
胡启明|哈姆扎·索海尔|边圆圆|杨炳坤|杨晓东|陈学豪|齐晓华|徐学文
扬州大学园艺与景观建筑学院，中国江苏省扬州市225009
摘要
高等植物中的矮化突变体是研究茎伸长和植物发育机制的理想模型。此外，矮化植物紧凑的株型使其适合高密度种植和机械化收割。在本研究中，我们发现了一种自然发生的超级紧凑型黄瓜突变体，命名为scp159。由于细胞伸长受到抑制，scp159表现出极紧凑的植株形态。通过群体分离分析结合全基因组测序和精细遗传图谱绘制，我们将scp-4基因位点缩小到6号染色体上的67.6 kb区域。通过重新测序和分子克隆，我们确定CsSCP4为该基因位点的候选基因，它编码3-epi-6-deoxocathasterone 23-monooxygenase CYP90C1酶，这是参与油菜素内酯（BR）生物合成的关键酶。与野生型YZ205A相比，scp159突变体在CsSCP4基因的第四外显子区域有一个碱基缺失（腺嘌呤）。内源性激素水平的测量证实scp159突变体中的BR水平显著降低。外源施用0.2 mg/L浓度的油菜素内酯能有效缓解超级紧凑的表型。在黄瓜植物中沉默CsSCP4基因会导致植株高度降低。比较转录组分析进一步显示，BR信号通路的正向调节因子（如BAK1和BSK）表达显著下调，而负向调节因子BKI1表达显著上调。此外，与生长素和赤霉素生物合成及信号通路相关的基因也表现出差异表达。总体而言，我们的发现表明CsSCP4基因在BR生物合成中起着关键作用，从而显著影响黄瓜植物的生长和发育。
引言
20世纪60年代的绿色革命期间引入矮化基因标志着作物改良的一个转折点，植物激素生物合成和信号通路的调控在提高产量、减少倒伏和实现更高种植密度方面发挥了重要作用（Hedden, 2003）。植物高度的调控是一个复杂的性状，受多种植物激素和复杂信号网络的协同作用控制（Ferrero-Serrano et al., 2019）。在小麦中，ZnF-B基因编码一种E3泛素连接酶，可促进TaBKI的降解，TaBKI是油菜素内酯（BR）信号通路的一个负向调节因子。ZnF-B的功能丧失会导致BR信号通路受到抑制，植株高度降低。相反，Rht-1基因编码一种DELLA抑制剂，可负向调节赤霉素（GA）信号通路。Rht-1突变体表现出较高的植株高度和产量，但同时会抑制GRF4的表达，从而降低氮利用效率。值得注意的是，Rht-1和ZnF-B的联合缺失在高密度种植条件下可使谷物产量增加超过10%，为平衡植株结构和生产力提供了一种有前景的策略（Van et al., 2021, Guo and Yin, 2023）。在苹果中，MdBPC2在矮化砧木中高表达，可负向调节生长素生物合成，从而降低植株高度。外源施用吲哚-3-乙酸（IAA）可以恢复矮化表型，进一步强调了生长素稳态在调控植株高度中的作用（Zhao et al., 2023）。总之，这些研究突显了赤霉素、油菜素内酯和生长素在调节植株结构中的核心作用。黄瓜（Cucumis sativus L.）是葫芦科中广泛栽培的一年生藤本植物，是全球最重要的蔬菜作物之一（Shang et al., 2014）。植株高度和生长习性是影响黄瓜栽培、管理实践和收获效率的关键因素（Zhao et al., 2024）。传统品种通常产生较长的藤蔓和高大的冠层，这限制了种植密度并降低了机械化收割的可行性。因此，近年来开发紧凑型或矮化黄瓜品种已成为重要的育种目标（Xin et al., 2015）。在黄瓜中已鉴定出许多矮化和紧凑型突变体，包括cp、cp-1、cp-3、cpa、cpa-1、cpa-2、scp-1、scp-2、scp-3、si、si-2、dw、dw2和df（Li et al., 2011, Chen et al., 2023, Sun et al., 2024, Zhang et al., 2021, Wang et al., 2024, Zhang et al., 2022, Wang et al., 2017, Hou et al., 2017, Zhang et al., 2024, Anarjan et al., 2023, Xu et al., 2023, Xu et al., 2018, Li et al., 2022, Zhang et al., 2025）。其中，scp-1、scp-2、scp-3、cpa和cpa-2由于BR生物合成基因的突变而表现出矮化表型。例如，CsCYP85A1编码BR-C6-氧化酶，可能是scp-1的候选基因，其第2外显子中的一个核苷酸变化引入了一个提前终止密码子。在scp-2中，CsDET2基因（5-α-还原酶）携带两个SNP和一个碱基插入，导致BR生物合成表型异常。scp-3的候选基因是CsDWF7，编码Δ7-固醇C-5(6)脱饱和酶；第2外显子中的一个点突变导致Leu156→His156的替换。cpa突变与CsDWF5的突变有关，CsDWF5编码7-脱氢胆固醇还原酶；第一个内含子-外显子交界处的一个碱基变化导致移码和提前终止密码子。cpa-2中的CsDWF1突变导致C-24还原酶的Glu502→Lys502氨基酸替换。dw2突变具有类似的表型，但是由于CsSMR1的完全缺失，CsSMR1编码一种参与BR信号通路的周期素依赖性激酶。其他突变体如cp-1、cp-3和si-2位于4号染色体上的ERECTA样受体激酶上，该激酶整合了GA和生长素信号通路，最终缩短了节间长度。经典的dw突变与CsCLAVATA1中的一个碱基突变有关，CsCLAVATA1编码CLAVATA1受体样激酶；外源GA?可以部分恢复矮化表型。df突变是由于CsKAO第6外显子中的G→A突变引起的，CsKAO编码kaurenoic酸氧化酶，这是GA生物合成中的关键酶。这些发现共同强调了黄瓜植株结构背后的遗传和激素复杂性，突出了BR、GA和生长素通路之间的相互作用。
油菜素内酯（BRs）是一类多羟基植物甾体激素，在调节植物生长和发育中起着关键作用（Nolan et al., 2023）。BRs的生物合成是一个复杂的代谢网络，始于来自三萜途径的前体campsterol。在植物中，生物合成途径主要分为早期和晚期C-6氧化途径，两者通过C-6氧化的时间不同而区分（Kour et al., 2021）。尽管存在物种特异性差异，但这些途径共享一系列保守的酶促反应。最初，甾体5α-还原酶DET2催化campsterol转化为campestanol，建立了BRs的基本碳骨架（Luo et al., 2007）。随后，细胞色素P450单加氧酶CYP90B1（也称为DWF4）介导C-22羟基化，而CYP90C1和CYP90A1协同催化C-23羟基化，推动前体向生物活性形式的转化（Zebosi et al., 2024）。这些平行途径最终在castasterone处汇聚。在生物合成的最后阶段，CYP85A家族的成员催化castasterone中的C-6酮基团的Baeyer-Villiger氧化，形成7-oxalactone环，最终生成生物活性最高的BR——油菜素内酯（BL）（Jager et al., 2007）。
在本研究中，我们报告了一种自发的黄瓜突变体的鉴定和特征描述，该突变体表现出极紧凑的生长习性和皱叶。该突变体在形态上类似于scp-1、scp-2和scp-3，但在遗传位置上有所不同，因此被命名为super compact 4（scp-4）（Wang et al., 2017, Hou et al., 2017, Zhang et al., 2024）。通过基于图谱的克隆策略，我们确定CsSCP4编码3-epi-6-deoxocathasterone 23-monooxygenase CYP90C1，为scp-4基因位点的候选基因。这些发现为了解黄瓜矮化机制提供了新的见解，并进一步扩展了我们对葫芦科作物中BR生物合成和信号传导的理解。
植物材料、作图群体和遗传分析
scp159突变体是在2023年秋季从黄瓜自交系'YZ205A'的种子繁殖过程中发现的。该突变体表现出极紧凑的生长习性，其特征是节间极短和叶片皱缩。为了进行表型特征分析，黄瓜幼苗在含有泥炭、蛭石和珍珠岩（2:1:1，v/v/v）的培养基中生长。生长条件维持在26°C/20°C（14小时光照/10小时黑暗）和相对湿度下。
黄瓜中scp159突变的表型特征
与野生型YZ205A不同，自发突变体scp159表现出高度紧凑的表型，其特征是下胚轴缩短、茎伸长减少和叶片皱缩。在两叶期，scp159幼苗的叶柄几乎消失，下胚轴长度显著缩短（3.5厘米），而野生型植株为6.3厘米（图1A, B）。在第八片真叶期（播种后约20天），scp159植株的平均高度为6.1厘米，而野生型植株为35.2厘米（图1）。
讨论
培育矮化品种对于实现高密度种植和促进集约化作物生产至关重要。植物激素如BRs、GA和IAAs在调节植物高度和结构中起着核心作用（Xing et al., 2020）。在水稻中，Rht-B1b和Rht-D1b突变抑制GA信号通路，导致半矮化植株，从而增强抗倒伏能力。然而，这些突变也降低了氮利用效率和碳同化，最终影响生物量积累。
结论
自发发生的黄瓜突变体scp159由于细胞伸长受损而表现出超级紧凑的表型，这可能是由于CsSCP4第四外显子中的一个腺嘌呤缺失所致。沉默CsSCP4进一步证实了其在维持正常植株高度中的关键作用。我们的发现表明CsSCP4通过调节油菜素内酯生物合成，并与生长素和赤霉素信号通路协同作用，来调控黄瓜植株的结构。
作者贡献
XX和XQ设计了实验。QH、HS、YB、BY、XX和XQ收集了表型数据并进行了数据分析。QH、HS、BY和XX撰写了手稿。HS、XY、XC和XQ编辑了手稿。所有作者都阅读并批准了手稿。
未引用的参考文献
(Cheng et al., 2022, Hong et al., 2005, Wei and Li, 2020, Yang et al., 2024a, Ying et al., 2024b)
资助
本研究得到了江苏省种子产业振兴项目（JBGS[2021] 018）和江苏省重点研发计划-现代农业（BE2022339）的支持。
CRediT作者贡献声明
陈学豪：撰写 – 审稿与编辑，监督，调查，资金获取。齐晓华：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，项目管理，方法学，数据管理。徐学文：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，监督，软件使用，资源提供，项目管理，方法学，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。胡启明：初稿撰写。致谢
我们感谢中国农业科学院郑州果树研究所的秦生国博士慷慨提供了pV190载体。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
