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)功能而長期被視為“沉默突變”。近年來陸續(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修飾的動態(tài)變化影響RNA的穩(wěn)定性、剪切、翻譯和轉(zhuǎn)運(yùn)等過程，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。

       北京時間2025年7月1日晚11時，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所楊學(xué)勇研究員、中國農(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約翰英納斯中心丁一倞研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在國際權(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程中，果實(shí)長度增加了數(shù)倍，然而遺傳馴化機(jī)理仍不清楚。實(shí)驗(yàn)室前期通過QTL定位發(fā)現(xiàn)了位于1號染色體，貢獻(xiàn)率達(dá)30%的控制果長的數(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，無論FL1.1的基因型，果實(shí)始終是長瓜，因此發(fā)現(xiàn)了FL1.2對FL1.1位點(diǎn)的隱性上位性效應(yīng)。通過固定FL1.2位點(diǎn)為野生等位基因，研究人員篩選了超過1萬個重組單株，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，FL1.2編碼一個乙烯合成限速酶ACS2（該團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)了ACS2通過乙烯劑量精細(xì)調(diào)控果長的機(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個同義突變，2個內(nèi)含子突變和1個在5'UTR區(qū)的Indel變異。研究將目標(biāo)變異鎖定在第三個外顯子的1287位C>T同義突變，該單個同義突變可改變ACS2的蛋白水平4-5倍。團(tuán)隊(duì)同時開發(fā)了適用于瓜類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，導(dǎo)致ACS2蛋白水平降低、黃瓜果實(shí)變長，從而直接證明了該同義突變的遺傳功能（圖1）。

圖1.兩個在遺傳上互作的基因共同控制黃瓜果實(shí)馴化變長

       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ACS2^1287C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。

       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ACS2^1287T，野生等位基因ACS2^1287C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可能通過穩(wěn)定并調(diào)節(jié)構(gòu)象轉(zhuǎn)換，維持整個mRNA的結(jié)構(gòu)平衡（圖2）。

圖2. 1287C>T同義突變通過m⁶A修飾和RNA結(jié)構(gòu)決定ACS2蛋白翻譯效率

       值得注意的是，最近Cell刊發(fā)的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，一類同義突變可以通過破壞m⁶A修飾從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。本研究則首次在機(jī)體水平證明了單個同義突變通過m⁶A修飾和mRNA結(jié)構(gòu)調(diào)控馴化性狀，暗示了同義突變長久以來被忽略的重要功能。在作物馴化過程中，同義突變可能因受到選擇壓力而被保留，通過改變轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)（如翻譯效率）來發(fā)揮作用。該研究的結(jié)論挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知，同時凸顯出同義突變在作物改良策略中可能具有重要價值。未來深入研究同義突變在RNA修飾與結(jié)構(gòu)調(diào)控中的功能，有望為作物改良開辟新的路徑。

圖3.同義突變調(diào)控果實(shí)馴化變長的分子機(jī)制

       中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所楊學(xué)勇研究員，中國農(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、英國約翰英納斯中心張?jiān)卢?/strong>博士和中國農(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)何川教授對該研究工作提供了寶貴的意見和技術(shù)支持。該研究受到國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等支持。