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黄瓜是世界性的重要蔬菜作物之一,在全球蔬菜供应中具有举足轻重的地位。但是由于遗传因素或者管理不善,果实中会积累苦味,严重影响经济效益。苦味是由一种高度氧化的三萜化合物-葫芦素导致的,广泛存在于黄瓜、甜瓜、西瓜、南瓜和西葫芦等葫芦科植物中。葫芦素不仅能够抵抗病虫害而且还具有良好的抗肿瘤活性。本研究综合利用基因组、变异组、转录组、代谢组分析手段,并结合分子生物学、生物化学等方法,揭示了9个基因负责黄瓜苦味物质葫芦素C生物合成的代谢路径,包括1个OSC(Bi)基因、7个细胞色素P450基因和1个乙酰基转移酶(ACT)基因,其中5个基因在6号染色体上构成了一个基因簇,这9个合成基因在黄瓜叶片和野生果实中共表达,与葫芦素的组织分布一致。经过功能验证,完全解析了四步合成路径,其中Bi负责催化葫芦素C合成的第一步,环化2,3-氧化角鲨烯生成葫芦二烯醇;两个P450基因Csa3G903540和Csa6G088160分别负责催化葫芦素C合成的第二步和第三步;ACT基因Csa6G088700负责催化葫芦素C合成的最后一步。同时发现两个bHLH型转录因子Bl(Bitter leaf)和Bt(Bitter fruit)能够直接调控这9个合成基因的表达,其中Bl控制着黄瓜叶片中苦味的合成,Bt控制着黄瓜果实中苦味的合成。在野生黄瓜向栽培黄瓜驯化过程中,控制果实苦味的Bt基因受到选择。Bt基因启动子上的两个关键突变:SV-2195和SNP-1601,是黄瓜果实无苦味驯化的关键因素。除此之外,我们利用共表达、共调控的方法发现了一个ATP-binding cassette(ABC)家族的转运蛋白基因CsABC1,该基因定位的黄瓜叶片中细胞的液泡膜上,依靠H~+离子驱动,负责将葫芦素C从细胞质运输到液泡中。并采用酵母微粒体囊泡转运体系以及蟾蜍卵母细胞表达体系对CsABC1的功能进行了验证,这是首次在植物中克隆三萜化合物转运蛋白,将为植物三萜的运输研究提供指导作用。本论文的发现不仅帮助育种家进行分子辅助育种,并且可以效仿抗疟疾药物青蒿素的代谢工程方法,利用合成生物学手段实现葫芦素工业化生产,也将为新药开发提供新的思路。