本網(wǎng)訊 近日，我校生命科學(xué)學(xué)院牛慶豐教授課題組在生物學(xué)國(guó)際權(quán)威期刊Plant Physiology雜志發(fā)表了題為Key transcription factors regulate fruit ripening and metabolite accumulation in tomato的研究論文。該論文詳細(xì)闡述了八個(gè)果實(shí)成熟的關(guān)鍵調(diào)控因子在調(diào)控果實(shí)成熟和代謝物積累方面的重要作用，揭示了這些轉(zhuǎn)錄因子在成熟風(fēng)味物質(zhì)形成過(guò)程中的功能機(jī)制和調(diào)控關(guān)系，其中HY5通過(guò)光信號(hào)途徑調(diào)節(jié)糖和類(lèi)胡蘿卜素含量之間的平衡。研究結(jié)果為番茄成熟和代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控提供了新的見(jiàn)解和思路，為培育具有不同風(fēng)味和顏色的果實(shí)提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
在番茄果實(shí)成熟的過(guò)程中，果實(shí)內(nèi)部發(fā)生了一系列復(fù)雜的生理生化的變化，包括風(fēng)味物質(zhì)的合成、香氣的釋放、質(zhì)地的變化以及色素的合成代謝。這些變化不僅直接影響著番茄果實(shí)的口感和外觀(guān)，也決定了其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。該研究通過(guò)利用CRISPR/Cas9技術(shù)獲得果實(shí)成熟相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子RIN、TDR4（FUL1）、MBP7（FUL2）、AP2a、HY5、TAGL1、NR、NOR的單突變體以及RIN TDR雙突變體材料，通過(guò)對(duì)成熟期的野生型和突變體番茄果實(shí)材料進(jìn)行代謝組和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，以闡明這些轉(zhuǎn)錄因子如何精細(xì)的控制果實(shí)成熟和代謝物含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)依賴(lài)乙烯和非依賴(lài)乙烯途徑來(lái)調(diào)控色素積累、風(fēng)味物質(zhì)的形成。類(lèi)胡蘿卜素是番茄果實(shí)中主要的色素，其含量和種類(lèi)對(duì)果實(shí)顏色的變化有顯著的影響。轉(zhuǎn)錄因子突變后產(chǎn)生了具有不同顏色和類(lèi)胡蘿卜素含量的果實(shí)。雖然一些突變體的果實(shí)色澤視覺(jué)上相近，但數(shù)據(jù)顯示其類(lèi)胡蘿卜素含量差異卻非常大，如MBP7和TAGL1；RIN、NOR和AP2a。其中AP2a和TAGL1突變體中葉黃素含量大量積累，可作為優(yōu)化番茄果實(shí)中特定類(lèi)胡蘿卜素含量的潛在靶標(biāo)。
圖1：番茄突變體的果實(shí)成熟表型
比較突變體果實(shí)和野生型果實(shí)的代謝組和轉(zhuǎn)錄組特征表明，轉(zhuǎn)錄因子突變體通過(guò)調(diào)控參與生物合成和代謝途徑的靶基因的表達(dá)，從而在不同程度上影響酚酸類(lèi)物質(zhì)合成、亞油酸以及茄堿物質(zhì)（SGAs）的積累。具體來(lái)講，與AC水平相比，HY5、AP2a和TAGL1能促進(jìn)類(lèi)黃酮的合成，而AP2a抑制酚酸的積累。亞油酸和α-亞麻酸的代謝在mbp7突變體中大幅增加，但在hy5、nr、nor和tdr4突變體中卻有所減少。在rin、tdr4和mbp7突變體果實(shí)中，有毒性SGAs的物質(zhì)含量高于野生型AC果實(shí)，這意味著RIN及其輔因子促進(jìn)了SGA由有毒的SGAs向毒性較低的代謝物的轉(zhuǎn)化。
圖2：番茄SGAs合成路徑及相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)SGA合成代謝的調(diào)控
HY5突變后降低了類(lèi)黃酮和亞油酸的含量。但是，通過(guò)代謝組和液相色譜測(cè)定果實(shí)糖酸含量時(shí)發(fā)現(xiàn)hy5果實(shí)中的果糖和葡萄糖含量上調(diào)約20%左右，但色素合成受到抑制，表明HY5可能通過(guò)光信號(hào)途徑調(diào)節(jié)糖和類(lèi)胡蘿卜素含量之間的平衡。進(jìn)一步研究表明HY5通過(guò)激活SWEET12c的表達(dá)抑制了番茄果實(shí)中糖類(lèi)的積累，這一結(jié)論跟之前在擬南芥葉片中的研究有著相同的調(diào)控方式。HY5可直接結(jié)合糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因SWEET12c啟動(dòng)子的G-box順式元件激活表達(dá)，從而調(diào)節(jié)糖的運(yùn)輸。
圖3：hy5增加番茄果實(shí)中果糖和葡萄糖的含量
該研究主要發(fā)現(xiàn)并鑒定了多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在控制果實(shí)代謝物含量方面的功能，通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)HY5的突變提升了番茄果糖和葡萄糖含量，并闡述了調(diào)控的分子機(jī)制。該論文同時(shí)還為培育番茄新品種提供了大量的有用的遺傳信息和材料，提供的數(shù)據(jù)有助于培育具有特定風(fēng)味和色澤的番茄品種提供基礎(chǔ)。
該研究由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)、南方科技大學(xué)、浙江大學(xué)和江西農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合完成。第一通訊作者為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院牛慶豐教授。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后許雅萍為該論文的共同第一作者，另外安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究鄧元偉和博士研究生謝寅煥參與了本項(xiàng)目的研究。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)（2022YFD2100100）國(guó)家自然科學(xué)基金（32270367）；安徽省高校知名專(zhuān)家（2022AH020061）以及江西省創(chuàng)新領(lǐng)軍人才長(zhǎng)期（青年）項(xiàng)目（jxsq2020101082）的基金支持。（圖文/牛慶豐 編輯/程玉磊 預(yù)審/薛挺 審核/夏曉韻）
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae195
