園藝學報 2020 47 9 1689 1704 Acta Horticulturae Sinica doi 10 16420 j issn 0513 353x 2019 0947 http www ahs ac cn 1689 收稿日期 2020 03 19 修回日期 2020 06 02 基金項目 國家自然科學基金項目 31471911 中國博士后科學基金項目 2015M581414 通信作者 Author for correspondence E mail lyhshen wangyu 番茄果實顏色形成的分子機制及調(diào)控研究進展 劉 昕 陳韻竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 東北林業(yè)大學生命科學學院 東北鹽堿植被恢復與重建教育部重點實驗室 哈爾濱 150000 摘 要 番茄果實顏色主要包括綠色 黃色 紅色 粉色和紫色等 這些顏色的形成是葉綠素 類 胡蘿卜素 番茄紅素 黃酮類化合物等多種次生代謝物質積累綜合呈現(xiàn)的結果 針對近年來關于控制番 茄果實顏色形成的相關基因 生物合成途徑及其調(diào)控機制的研究進展進行綜述 旨在為今后通過生物技 術手段進行番茄果色農(nóng)藝性狀改良提供參考 關鍵詞 番茄 果色 次生代謝途徑 調(diào)控機制 中圖分類號 S 641 2 文獻標志碼 A 文章編號 0513 353X 2020 09 1689 16 Progress on Molecular Mechanism and Regulation of Tomato Fruit Color Formation LIU Xin CHEN Yunzhu KIM Pyol KIM Min Jun SONG Hyondok LI Yuhua and WANG Yu College of Life Sciences Northeast Forestry University Key Laboratory of Saline alkali Vegetation Ecology Restoration Ministry of Education Harbin 150000 China Abstract Tomato Solanum lycopersicum L can be found in a range of colors green yellow red pink and purple These various pigments are determined by the accumulation of chlorophylls carotenoids lycopene and flavonoids In this review we summarized the recent studies regarding the relevant genes and regulatory mechanisms in the biosynthesis pathway that control tomato fruit color formation We also aim to provide a reference for genetic improvement of tomato fruit color by using biotechnology Keywords tomato fruit color secondary metabolic pathway regulatory mechanism 野生番茄原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈 厄瓜多爾海岸以及秘魯 經(jīng)過幾百年的栽培馴化 已成為 世界重要經(jīng)濟作物之一 Peralta Spooner 2005 Ranc et al 2008 番茄果實顏色有綠色 黃色 紅色 粉色和紫色等 番茄果實顏色的多樣性主要歸因于果實中存在類胡蘿卜素 紅色 黃色果實 或花青素 紫色果實 當這兩種主要色素缺失時 果實呈現(xiàn)綠色 番茄中含有的色素 尤其是番茄 紅素和花青素 被證明具有抗癌 抗過敏 抗炎 抗病毒和抗氧化的活性 Bovy et al 2007 Seren et al 2008 因此番茄果色不僅是外觀品質的重要性狀之一 也成為了人們選擇攝入更高營養(yǎng)價值 的參考標準 Liu Xin Chen Yunzhu Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok Li Yuhua Wang Yu Progress on molecular mechanism and regulation of tomato fruit color formation 1690 Acta Horticulturae Sinica 2020 47 9 1689 1704 由于類胡蘿卜素和黃酮類化合物生物合成途徑的相關基因存在變異 最終導致不同資源番茄果 實中積累類胡蘿卜素以及花青素組分和含量存在差異 以及內(nèi)源激素和外界刺激對代謝途徑的不同 程度的激活與抑制 使得番茄果實形成了豐富多彩的顏色表型 本文中對影響番茄果實顏色形成的 重要代謝物 如類胡蘿卜素 類黃酮等的生物合成途徑及其調(diào)控果實色澤機制進行了總結 以期為 相關番茄果色改良研究提供理論依據(jù) 1 類胡蘿卜素代謝途徑與番茄果實顏色形成 1 1 番茄果實類胡蘿卜素代謝結構基因突變體 類胡蘿卜素的生物合成途徑已較為清晰 異戊烯焦磷酸在一系列酶作用下合成番茄紅素 類 胡蘿卜素 類胡蘿卜素等類胡蘿卜素 圖 1 圖 1 類胡蘿卜素合成途徑及相關果實顏色天然突變體 Fig 1 The carotenoid biosynthesis pathway and tomato fruit color mutants Barry et al 2005 Barry Giovannoni 2006 Ito et al 2017 Vogel et al 2010 Gao et al 2020 Tomato Genetics Resource Center 劉 昕 陳韻竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果實顏色形成的分子機制及調(diào)控研究進展 園藝學報 2020 47 9 1689 1704 1691 目前在番茄中分離鑒定出 2 個八氫番茄紅素合酶基因 PSY1 和 PSY2 其中 PSY1 在果實和花中 特異表達 而 PSY2 在葉片中表達 Martel et al 2011 Fraser 等 2002 在番茄中過表達 PSY 基 因 果實中類胡蘿卜素總量增加 2 4 倍 而番茄紅素 胡蘿卜素和葉黃素分別增加了 2 4 倍 1 8 倍和 2 2 倍 Fray 和 Grierson 1993 首次鑒定出番茄 r 突變體 yellow flesh 是由于 PSY1 基因發(fā) 生突變 導致成熟果實呈現(xiàn)黃色 而 Fantini 等 2013 及 D Ambrosio 等 2018 分別運用基因沉 默和 CRISPR Cas9 技術 發(fā)現(xiàn) PSY1 基因功能缺失 致使番茄果實變?yōu)辄S色 再次證實 PSY1 基因 的功能 類胡蘿卜素異構酶基因 CRTISO 突變 果實呈現(xiàn)橘黃色 該突變體的四順式番茄紅素下游 的類胡蘿卜素組分顯著減少 Isaacson et al 2002 編碼番茄紅素 環(huán)化酶 LYC B 和番茄紅 素 環(huán)化酶 LYC E 的 Beta 和 Delta 基因突變可使番茄果實呈橙色 Beta 和 old gold 互為等位基 因 Beta 突變體為功能獲得性突變 LYC B 基因轉錄水平升高 果實中的 胡蘿卜素積累 old gold 突變體為移碼突變 導致缺少 LYC B 無法合成 胡蘿卜素而使果實中全反式番茄紅素積累較多 果實呈深紅色 Ronen et al 2000 1 2 番茄果實類胡蘿卜素合成調(diào)控 番茄類胡蘿卜素的代謝調(diào)控是一個非常復雜的生物學過程 既與番茄的發(fā)育 激素 表觀遺傳 的內(nèi)源性調(diào)控有關 也受各種外界環(huán)境因素 如光照 溫度等 的影響 是一個多層面 多水平的 調(diào)節(jié)過程 圖 2 圖 2 番茄果實類胡蘿卜素合成調(diào)控網(wǎng)絡 Fig 2 Regulation network of carotenoid synthesis in tomato fruits Liu et al 2015a 1 2 1 乙烯 番茄屬于呼吸躍變型果實 果實內(nèi)部乙烯的形成量與果實進入成熟期密切相關 外部施加乙烯 也可以促進番茄的成熟及果色的轉變 1 氨基環(huán)丙烷 1 羧酸合酶 ACS 和 1 氨基環(huán)丙烷 1 Liu Xin Chen Yunzhu Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok Li Yuhua Wang Yu Progress on molecular mechanism and regulation of tomato fruit color formation 1692 Acta Horticulturae Sinica 2020 47 9 1689 1704 羧酸氧化酶 ACO 是乙烯合成過程中的限速酶 目前已在番茄中鑒定到 12 個 ACS 和 7 個 ACO 同源 基因 其中 SlACS1 SlACS2 SlACS4 SlACO1 在果實的發(fā)育和成熟過程中具有重要作用 Barry et al 1996 汪瑩 等 2014 HD Zip 蛋白 SlHB1 被發(fā)現(xiàn)可以直接調(diào)控 SlACO1 的表達 促進乙烯釋 放和果實成熟 Lin et al 2008 在果實的成熟過程中 乙烯對 PSY 基因的轉錄水平有正調(diào)控作用 同時 LYC B 基因受到抑制 從而抑制紅色的番茄紅素轉化為橙色的 胡蘿卜素 Klee Giovannoni 2011 乙烯響應因子 SlERF6 是一種類胡蘿卜素合成的負調(diào)控因子 RNAi 降低 SlERF6 的表達 可 以促進番茄果實乙烯的釋放和類胡蘿卜素的積累 Lee et al 2012 多個番茄果實成熟突變體均是通過乙烯途徑調(diào)控類胡蘿卜素合成導致最終果實顏色發(fā)生變化 這些突變體可以分為兩類 第 1 類為乙烯依賴型突變體 外源施加乙烯可以在某種程度上恢復果實 成熟相關基因表達 如 rin ripening inhibitor 突變體和 nor non ripening 突變體 番茄 rin 突變 體果實具有典型的成熟抑制表型 最終果實顏色呈現(xiàn)黃綠色 最新研究結果表明 這是由于基因組 DNA 缺失導致 RIN 和 MC 兩個轉錄因子融合 新的融合蛋白具有轉錄因子特性 參與調(diào)控乙烯合 成通路中 ACS2 和 ACS4 基因的表達 從而影響類胡蘿卜素的合成 Ito et al 2017 番茄 nor 突變 體果實呈黃綠色 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)截短的 NOR 蛋白位于細胞核內(nèi) 可以結合在 SlACS2 SlGgpps2 基因 的啟動子區(qū)但不激活基因轉錄 同時 截短 NOR 蛋白還可以抑制野生型中 NOR 蛋白啟動子的激活 導致果實呈現(xiàn)黃綠色表型 Gao et al 2020 第 2 類突變體為非乙烯依賴型突變體 它們對乙烯不 敏感 導致果實無法正常成熟 如 Gr Green ripe 突變體和 Nr never ripe 突變體 番茄 Gr 突 變體由于 SlGr 基因上游非編碼區(qū) 334 bp 序列缺失 導致基因高量表達 負調(diào)控乙烯通路轉導途徑 使得突變體對乙烯不敏感 最終果實呈現(xiàn)綠色 潘曉琪 2015 編碼乙烯受體的 SlETR3 ethylene receptor 3 基因突變體 Nr 可使番茄果實延遲成熟 表現(xiàn)為成熟果實呈橙黃色且硬度較大 Ciardi et al 2000 圖 1 Karlova 等 2011 發(fā)現(xiàn)編碼乙烯響應因子 APETALA2a 的 SlAP2a 基因被 RNAi 干涉后 乙烯水平升高 但是類胡蘿卜素含量降低 同時發(fā)現(xiàn) RIN NOR CNR Colorless non ripening 均可以正向調(diào)控 SlAP2a 突變體果實呈現(xiàn)橘黃色 1 2 2 脫落酸 類胡蘿卜素是合成植物激素脫落酸 ABA 的前體物質 在 ABA 受體 PYR PYL RCAR 介 導下 ABA 可以調(diào)節(jié)番茄成熟過程中類胡蘿卜素的含量和組成 Ma et al 2009 Park et al 2009 Sun et al 2011 翁倩等 2007 用不同濃度的外源 ABA 處理綠熟期的番茄果實 發(fā)現(xiàn)低濃度的 ABA 比高濃度 ABA 更能促進番茄紅素的合成 加速果實變紅 Mou 等 2016 發(fā)現(xiàn)對綠熟期番茄 注射 ABA 可以促進果實中類胡蘿卜素積累 果實變紅 而同時注射 ABA 和乙烯受體抑制劑 1 MCP 則抑制果實成熟 因此 ABA 可能通過乙烯的釋放促進果實成熟 Wu 等 2018 對參與類胡蘿卜素 及類黃酮生物合成途徑的基因啟動子進行分析后發(fā)現(xiàn) 該合成途徑的下游基因啟動子普遍含有 ABRE 和 ERE 基序 故推測 ABA 和乙烯可能通過調(diào)節(jié) PSY LYC B 等下游基因影響果實發(fā)育過程 中的顏色變化 1 2 3 赤霉素 赤霉素 GA 是植物五大內(nèi)源激素之一 它與類胡蘿卜素和葉綠素有共同前體 GGPP 黃彬城 等 2006 報道 當類胡蘿卜素合成量增加時 能使進入 GA 和葉綠素合成途徑的 GGPP 減少 50 左右 于洋 2016 的研究表明 對綠熟期番茄果實進行涂抹外源 GA 3 處理可以抑制果實類胡蘿卜 素和番茄紅素的合成 對 胡蘿卜素含量的影響表現(xiàn)為先抑制后促進 而葉黃素的含量則逐漸降 低 抑制果實變紅 劉 昕 陳韻竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果實顏色形成的分子機制及調(diào)控研究進展 園藝學報 2020 47 9 1689 1704 1693 1 2 4 茉莉酸 外源施加茉莉酸甲酯 MeJA 能調(diào)控植物的生長發(fā)育 也能促進番茄中番茄紅素和 胡蘿卜 素的積累 MeJA 需要在茉莉酸信號受體蛋白 COI1 的介導下進行信號轉導 研究表明 MeJA 可以通 過調(diào)節(jié)乙烯合成相關酶的活性來影響乙烯的合成 從而促進番茄紅素的積累 用 MeJA 處理番茄后 果實內(nèi)與乙烯合成相關的 ACO1 表達升高 ACO 酶活性升高 Yu et al 2011 MeJA 也可以通過 不依賴乙烯合成途徑調(diào)節(jié)番茄果實中番茄紅素的積累 Liu 等 2012 使用外源 MeJA 處理乙烯不 敏感的番茄突變體 Nr 可以顯著促進番茄紅素生物合成基因表達及番茄紅素積累 也有 MeJA 抑制 番茄紅素積累的報道 Czapski 等 1992 用 MeJA 蒸氣處理綠色番茄果實 發(fā)現(xiàn)果實處理區(qū)域呈黃 色 未處理區(qū)域呈紅色 即處理后番茄紅素合成受抑制 故 MeJA 可能參與多條代謝途徑 進而影 響番茄紅素積累 同時處理濃度可能存在毒理效應 其具體的機制尚待深入研究 1 2 5 生長素 番茄果實成熟前游離的生長素 IAA 含量下降 而 IAA Asp 濃度開始增加 IAA 可能通過調(diào) 節(jié)其氨基酸偶聯(lián)物的水平控制果實成熟 Bottcher et al 2010 下調(diào)番茄生長素響應因子 ARF4 可 使果實呈暗綠色 葉綠體增多 ARF4 可能通過結合在 SlGLK1 Goldern2 Like 啟動子區(qū)的 ARF 基序 TGTCTC box 下調(diào) GLK1 的表達 從而增加葉綠素的積累 Jones et al 2002 1 2 6 表觀遺傳調(diào)控 番茄 Cnr Colorless non ripening 突變體由于編碼 SlSPL CNR SBP box family 轉錄因子的 基因啟動子區(qū)存在 286 bp 連續(xù)的高度甲基化區(qū)域 抑制 SlSPL CNR 表達 果實呈現(xiàn)黃綠色 Manning et al 2006 Zhong 等 2013 采用全基因組亞硫酸鹽測序的方法分析了番茄果實成熟過程中全基 因組甲基化水平的動態(tài)變化 結果表明在果實成熟之前大部分成熟相關基因啟動子序列處于高度甲 基化狀態(tài) 從而不能被轉錄因子結合 隨著果實的發(fā)育 其啟動子序列逐漸呈現(xiàn)出低甲基化狀態(tài) 進而被轉錄因子識別并上調(diào)表達 同時研究表明外源施用 DNA 甲基轉移酶的抑制劑 5 azacytidine 5 az 可以加快果實成熟 Liu 等 2015b 發(fā)現(xiàn) DNA 去甲基化酶也參與調(diào)控番茄果實的成熟過程 通過敲除番茄 SlDML2 基因 使得全基因組范圍內(nèi)的甲基化水平升高 誘導果實成熟的基因表達受 到抑制 從而限制類胡蘿卜素的合成 最終果實不能正常成熟而呈現(xiàn)為綠色的表型 近期研究發(fā)現(xiàn) RNA 甲基化 m 6 A 整體水平隨著番茄果實成熟逐漸下降 黃綠色的 Cnr 突變體果 實由于 RNA 去甲基化酶基因 SlALKBH2 表達減少 導致 m 6 A 甲基化水平升高 同時 SlALKBH2 可 以受到 DNA 甲基化的調(diào)控 結合 SlDML2 的轉錄本 這將果實成熟過程中的 DNA 甲基化與 RNA 甲基化之間建立了分子聯(lián)系 Zhou et al 2019 Zuo 等 2020 通過采用深度測序 生物信息學分析 代謝組學等手段 以紅色的 AC 綠色的 Gr 和黃色的 r 番茄果實為材料 發(fā)現(xiàn)了一些 DNA 甲基化差異基因和非編碼 RNA 存在于乙烯通路 中和類胡蘿卜素通路中 這些非編碼 RNA 可能靶向 ACO2 ERF2 ERF5 PSY1 ZISO 等關鍵酶 1 2 7 光照 光照有利于番茄果實中類胡蘿卜素的積累 Schofield Paliyath 2005 蒲高斌等 2005 在 番茄綠熟期后進行不同光質處理 發(fā)現(xiàn)與白光對照相比 紅光處理可以顯著提高果實的番茄紅素含 量 而綠光處理則降低了番茄紅素含量 孫娜 2015 的研究表明 番茄幼苗長至三葉一心時 持 續(xù)置于不同光質下處理 可顯著提高番茄果實番茄紅素含量 其中光質的有效性表現(xiàn)為紅藍組合光 1 1 紅光 藍光 植物通過光受體感受光信號 隱花色素 cryptochromes 是一種藍光受體 過表達 SlCRY2 的 Liu Xin Chen Yunzhu Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok Li Yuhua Wang Yu Progress on molecular mechanism and regulation of tomato fruit color formation 1694 Acta Horticulturae Sinica 2020 47 9 1689 1704 轉基因番茄出現(xiàn)了明顯色素沉著 果實中類黃酮和番茄紅素含量升高 同時 SlLYC B 的表達降低 Giliberto et al 2005 介導紅光和遠紅光信號途徑的光敏色素 phytochrome 在光激活后轉移 到細胞核 與光敏色素相互作用因子 PIF 互作 使其磷酸化并降解 從而調(diào)控相關基因表達 番 茄中的 PIF1a 作為擬南芥中的 PIF1 的同源基因 與 PSY1 基因啟動子上的 G box 基序結合抑制類胡 蘿卜素合成 是類胡蘿卜素合成的負調(diào)控因子 由于番茄綠色果實中存在高含量葉綠素和低含量類 胡蘿卜素而產(chǎn)生的遮蔭效應 改變了穿透果皮的光譜組成 增加了光敏色素非活性 Pr 形態(tài)的比例 促使 PIF1a 積累 結合并抑制 PSY1 基因表達 當果實逐漸成熟時 葉綠體開始降解 自我遮蔭效 應降低 光敏色素轉變?yōu)榛钚?Pfr 形態(tài) 從而促進 PIF1a 降解 導致 PSY1 表達去抑制 類胡蘿卜素 生物合成增加 促進果實顏色變?yōu)榧t色 Casal 2013 Llorente et al 2016 光信號轉導因子的突變也可導致類胡蘿卜素含量升高 如 hp 1 high pigment 1 突變體是由 于 DDB1 基因突變導致果實深紅色 hp 1 突變體對紅光和藍光較為敏感 并且 HP 1 對向光性信號 傳遞的通道有調(diào)控功能 參與植物的光形態(tài)建成過程 Srinivas et al 2004 hp 2 high pigment 2 突變體被證實是編碼光形態(tài)建成負調(diào)節(jié)因子 DET1 的基因發(fā)生突變 從而影響類胡蘿卜素積累 導 致果實呈現(xiàn)深紅色 Liu et al 2004 1 2 8 溫度 類胡蘿卜素代謝對溫度極其敏感 與最佳著色溫度相差 1 都可能對果實著色產(chǎn)生顯著影響 Young 1991 Dumas 等 2003 報道 溫度在 12 以下和 32 以上時 番茄紅素的生物合 成分別受到強烈抑制和完全阻斷 高溫可以通過抑制與成熟相關基因的轉錄來抑制番茄紅素合成和 果實成熟 Lurie 等 1996 在 38 下處理番茄綠色果實 發(fā)現(xiàn) ACO 和 PSY 的 mRNA 水平大幅下 降 番茄紅素無法積累 抑制果實變紅 仍為綠色 目前發(fā)現(xiàn)部分熱休克蛋白可能與溫度對果實著色的影響有關 HSP21 可以促進果實成熟過程中 類胡蘿卜素的積累 熱處理可以誘導該蛋白在番茄果實中的積累 在低溫下長期保存再熱處理后的 果實 發(fā)現(xiàn)了 HSP21 的轉錄產(chǎn)物 超表達 HSP21 的綠熟期果實不經(jīng)熱處理直接冷藏后 仍可繼續(xù) 積累類胡蘿卜素 果實呈現(xiàn)少許紅色 Neta Sharir et al 2005 2 花青素代謝途徑與番茄果實顏色形成 2 1 番茄果實花青素代謝結構基因突變體 普通栽培種番茄果實中并不積累花青素 為了探究這一生物學問題 同時培育出富含花青素的 番茄 分子生物學家和植物育種家自 21 世紀初開始運用各種手段增加番茄中花青素含量 由于花青 素的生物合成途徑研究已較為深入 即由苯丙氨酸作為直接前體物質 經(jīng)過一系列的酶促反應 最 終生成花青素 并轉移至液泡中儲存 人們首先想到的是過表達該途徑中編碼酶的結構基因 Muir 等 2001 首次將矮牽牛的 CHI 基因轉入番茄中 轉基因植株的果皮中黃酮醇含量增加了 78 倍 但是果實未如期變?yōu)樽仙?其花青素生物合成途徑似乎被阻斷 采用類似的方法 Schijlen 等 2006 將不同植物來源的花青素合成途徑的結構基因轉入番茄中 均沒有改變果實顏色 這些研究表明 要觸發(fā)花青素的合成 僅僅增加結構基因的表達是不夠的 轉入特定的轉錄因子是花青素生成的必 要條件 劉 昕 陳韻竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果實顏色形成的分子機制及調(diào)控研究進展 園藝學報 2020 47 9 1689 1704 1695 2 2 番茄果實花青素合成調(diào)控 2 2 1 MYB轉錄因子 雖然栽培種番茄果實不含有花青素 但是前人通過將其與野生番茄進行雜交育種 培育出了果 皮合成花青素的番茄品系 即當 Aft atv 和 Abg 基因座從野生種滲入到栽培番茄中可以促使其果皮 中花青素積累 使果實呈現(xiàn)紫色或紫色斑點 Jones et al 2003 近 10 年來 利用遺傳學及分子生 物學結合轉基因手段對控制這 3 個基因座的基因進行了深入探究 其中 源自野生種 S chilense 的 Aft 基因型受單個顯性基因調(diào)節(jié) 該候選基因最初被定位到 10 號染色體上 4 個串聯(lián)的 R2R3 MYB 轉 錄因子 AN2 ANT1 ANT1 like AN2 like 近期研究表明 利用 CRISPR Cas9 基因編輯技術敲 除 SlAN2 like 可以顯著減少果實中花青素含量 而敲除 SlAN2 SlANT1 SlANT1 like 對果實花青 素含量影響較小 故 AN2 like 基因即為控制 Aft 基因座的功能基因 Yan et al 2020 除此之外 Sun 等 2020 以及 Colanero 等 2020a 發(fā)現(xiàn)在 SlAN2 like InR 及 SlAN2 like AC 存在可變剪接 A653G 位堿基差異導致普通栽培種番茄 AN2 like 蛋白缺失了 R3 結構域和 C 末端 造成栽培種番茄果皮無 花青素合成 而 Aft 基因型番茄 AN2 like 蛋白功能正常且果皮有花青素合成 當 atv 基因座與 Aft 或 Abg 基因座結合時 番茄果實中的花青素含量顯著增加 呈現(xiàn)明顯紫色 Mes et al 2008 來 自 S cheesmaniae 的 atv 基因座遵循隱性遺傳模式 被精細定位在 7 號染色體約 5 kb 的區(qū)間內(nèi) 為 編碼 R3 MYB 類型的負調(diào)控因子 由于存在 4 bp 插入導致的移碼突變 atv 基因型品系中花青素合 成相關結構基因和調(diào)節(jié)基因全部上調(diào)表達 所以 Aft Aft atv atv 番茄果實大量積累花青素 果實呈現(xiàn) 紫色 Cao et al 2017 因此 Aft 基因型番茄果皮上紫色斑點的不均勻分布 可能是由于存在 ATV 蛋白抑制了花青素的合成 圖 3 源自 S lycopersicoides 的 Abg 基因座也定位于 10 號染色體 但 由于其存在純合致死現(xiàn)象 目前 Abg 基因座尚未確定 Rick et al 1994 2 2 2 bHLH轉錄因子 番茄中有 SlAN1 和 SlJAF13 兩個 bHLH 轉錄因子參與花青素調(diào)節(jié) Qiu 等 2016 在番茄中過 表達 SlAN1 可以顯著提高果皮中花青素含量 果實果肩部位呈現(xiàn)紫色 經(jīng)轉錄組數(shù)據(jù)分析 SlAN1 與 S1F3 5 H 和 S1DFR 共表達 即 S1F3 5 H 和 S1DFR 可能為 SlAN1 調(diào)控的下游結構基因 Montefiori 等 2015 經(jīng)試驗證明在茄科植物煙草中 AN1 通過 MYB AN1 WD40 復合物直接激活花青素生物 合成途徑 而 JAF13 通過形成 MYB JAF13 WD40 復合物調(diào)節(jié) AN1 基因表達 間接調(diào)節(jié)花青素生物 合成途徑 2 2 3 WD40蛋白 WD40 蛋白是含有 4 16 個 WD 重復結構域的蛋白質家族 番茄的 SlAN11 蛋白屬于 WD40 蛋 白 具有調(diào)節(jié)花青素合成的功能 在野生型和富含花青素的 35S SlANT1 和 35S SlAN2 轉基因番茄 中 SlAN11 在果皮中的表達水平相似 即 WD40 基因在富含花青素組織和非花青素組織之間的表達 量無顯著差異 Kiferle et al 2015 Gao 等 2018 過表達 SlAN11 基因發(fā)現(xiàn)其可以有效調(diào)控番茄 葉片和莖中花青素含量 并激活晚期類黃酮合成基因 但不能促進番茄果皮花青素的產(chǎn)生 2 2 4 光照 18 世紀末 Senebier 最早發(fā)現(xiàn)類黃酮的生物合成受光的控制 Beggs Wellmann 1994 Aft Aft atv atv 番茄果皮的花青素合成同樣受光調(diào)控 與遮光部分相比 直接暴露于光的番茄果實部分表現(xiàn) 出更強烈的花青素色素積累 即產(chǎn)生較多紫色斑點 Mazzucato et al 2013 除光強外 光質也會 影響花青素的生物合成 隨著研究的深入 人們發(fā)現(xiàn) UV B Catola et al 2017 UV A Guo Wang 2010 UV B 藍光復合光 Drumm Herrel Mohr 1982 藍光 Weller et al 2001 紅光 Peters Liu Xin Chen Yunzhu Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok Li Yuhua Wang Yu Progress on molecular mechanism and regulation of tomato fruit color formation 1696 Acta Horticulturae Sinica 2020 47 9 1689 1704 et al 1990 均可誘導花青素的合成 這表明不同的光受體接受光信號轉導至花青素合成途徑 最 終誘導花青素的合成 Guo 和 Wang 2010 報道 UV A 輻射增加了番茄幼苗中的花青素含量 也可 以增加番茄果皮中花青素含量 本課題組曾利用單光及復合光處理 Aft 番茄果實時發(fā)現(xiàn) 藍光或 UV B 處理下 Aft 番茄果實紫色斑點較少 然而在藍光 UV B 的復合光處理下 Aft 番茄果實可以形成 大量的紫色斑點 故推測藍光 UV B 在誘導 Aft 番茄合成并積累花青素的過程中存在協(xié)同增益效 應 楊琳 2017 COP1 是一種 E3 泛素連接酶 是光信號途徑中關鍵抑制因子 它通過靶向泛素化 HY5 HYH LAF1 和 HFR1 等轉錄因子 促使這些光信號途徑轉錄因子被 26S 蛋白酶體識別并降解 進而抑制 黑暗中的光形態(tài)發(fā)生 Lau Deng 2012 bZIP 轉錄因子 HY5 通過介導光受體反應促進光形態(tài)發(fā) 生 在光信號傳遞中發(fā)揮著關鍵作用 Gangappa Botto 2016 HY5 可以通過直接與基因啟動子 上的 G box 或 ACEs 基序結合 在體內(nèi)靶向大量光敏感基因 是花青素積累過程中的一個正向調(diào)控 因子 Zhang et al 2011 Qiu 等 2018 利用 CRISPR Cas9 系統(tǒng)敲除紫色番茄 Indigo Rose 中 的 SlHY5 基因 T2 代番茄花青素含量有所降低 只有果蒂和果肩呈現(xiàn)紫色 番茄通過接受不同光質 光強影響花青素合成 但目前研究缺少光受體與上游轉錄因子相關的作用機制 除 COP1 HY5 這一 信號通路外是否存在其他信號通路仍有待研究 圖 3 番茄果實花青素合成 MYB 轉錄因子調(diào)控途徑 Fig 3 Regulatory pathways of MYB transcription factor for anthocyanin synthesis in tomato fruits Colanero et al 2020b 劉 昕 陳韻竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果實顏色形成的分子機制及調(diào)控研究進展 園藝學報 2020 47 9 1689 1704 1697 2 2 5 溫度 低溫可以激活 MBW 復合物的 bHLH 轉錄因子 從而誘導花青素積累 低溫處理 5 葉齡番茄 幼葉中 AH 表達水平較對照低 這與花青素含量的變化相關 表明 AH 是低溫脅迫下花青素生物合 成的調(diào)節(jié)因子 Qiu et al 2016 Petric 等 2018 將 Aft Aft atv atv 基因型番茄果實放置在光照和 低溫 12 條件下貯藏 3 周 發(fā)現(xiàn)低溫可以促進花青素的積累 在未處理時果實呈綠色 1 周后 呈橙色 紅色 2 周后開始呈紫色 在室溫 24 下花青素并沒有隨時間的增加而積累 而且貯 藏 3 周的果實硬度下降并開始腐爛 溫度對于番茄花青素合成影響的研究 目前局限在表型觀察 以及在轉錄水平檢測相關基因的表達 其詳細的分子機制仍不十分清晰 3 基因工程改良番茄果色 為了改良番茄果色 傳統(tǒng)的育種手段多采用雜交育種 誘變育種等方法 但費時費力且進展緩 慢 隨著高通量測序及基因編輯技術的飛速發(fā)展 基因工程成為了更加有效的育種策略 目前的番 茄果實顏色改良主要集中在改變類胡蘿卜素和類黃酮代謝產(chǎn)物的積累 少部分報道通過引入其他色 素合成基因改變番茄果實顏色 圖 4 圖 4 基因工程培育的不同果色番茄 Fig 4 Different fruit colored tomatoes cultivated by genetic engineering Dharmapuri et al 2002 Polturak Aharoni 2017 D Ambrosio et al 2018 Li et al 2018b Zhu et al 2018 Colanero et al 2020a Sun et al 2020 CRISPR Cas9 基因編輯系統(tǒng)敲除類胡蘿卜素代謝途徑中的關鍵酶基因可以改變番茄果實顏色 如敲除 PSY1 可以獲得黃色果實 D Ambrosio et al 2018 Li 等 2018b 敲除葉綠素降解以及類 胡蘿卜素代謝相關基因 SGR1 LCY E LCY B2 Blc 顯著提高了番茄果實中番茄紅素含量 同時 由于葉綠素和番茄紅素的積累 果實呈現(xiàn)出紅銹色 通過基因工程轉入關鍵酶基因 可促進番茄紅 Liu Xin Chen Yunzhu Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok Li Yuhua Wang Yu Progress on molecular mechanism and regulation of tomato fruit color formation 1698 Acta Horticulturae Sinica 2020 47 9 1689 1704 素轉化為 類胡蘿卜素和玉米黃素等下游代謝產(chǎn)物 減少果實中番茄紅素的積累 果實顏色變?yōu)?黃色等 Karniel 等 2020 在 hp3 B Sh 突變體中異源表達柑橘中的 胡蘿卜素羥化酶基因 CcBCH2 導致玉米黃素積累 獲得的果實在綠色時期帶有些微黃色 Dharmapuri 等 2002 報道在番茄中通 過 Pds 果實特異啟動子驅動擬南芥 類胡蘿卜環(huán)化酶基因 b Lcy 和甜椒 類胡蘿卜素羥化酶基因 b Chy 轉基因果實中 胡蘿卜素 玉米黃素和 隱黃質含量顯著增加 果實呈現(xiàn)橙色 運用基因工程的手段敲除或引入類黃酮代謝途徑中相關轉錄因子可以達到改變番茄果色的目 的 番茄中的 SlMYB12 基因被證明編碼一個可以調(diào)控柚皮苷查爾酮生物合成的關鍵轉錄因子 通過 CRISPR Cas9 基因編輯系統(tǒng)敲除 SlMYB12 基因 導致表皮中缺乏類黃酮 變?yōu)闊o色 而由于果肉為 紅色 導致果實整體呈現(xiàn)粉色表型 Zhu et al 2018 番茄果實中的花青素通常存在于果皮中 近 年來通過基因工程手段已培育出果皮和果肉中均含有花青素的品種 Butelli 等 2008 通過番茄果 實特異性啟動子 E8 異源表達金魚草的 bHLH 轉錄因子 Del Delila 和 MYB 轉錄因子 Ros1 Rosea1 獲得果皮及果肉均為紫色的番茄果實 Luo 等 2008 在 Money Maker 番茄中轉入 E8 AtMYB12 提高了果實中黃酮醇的含量 獲得了橘黃色果實 Zhang 等 2015 將 Del Ros1 番茄和 E8 AtMYB12 番茄進行雜交 獲得了一種 Indigo 番茄 呈靛藍色 同時果實中花青素 黃酮醇 綠原酸的含 量顯著提高 Scarano 等 2018 在 Indigo 番茄中引入葡萄二苯乙烯合成酶基因 VvStsy 開發(fā)出 了青銅色的 Bronze 番茄 果實中富含黃酮醇 花青素和二苯乙烯 Sun 等 2020 在 AC 番茄 中通過 E8 啟動子過表達 SlAN2 like InR 基因 同樣獲得了果皮和果肉均為紫色的番茄 除了通過調(diào)控類胡蘿卜素和花青素途徑基因改良番茄果實顏色外 通過基因工程引入其他色素 合成基因同樣可以改變番茄果實顏色 Polturak 等 2017 將甜菜素合成相關基因 CYP76AD1 BvDODA1 和 cDOPA5GT 轉入番茄中 為了使甜菜素特異性的在番茄成熟果實中表達 選用了 E8 啟動子驅動 CYP76AD1 基因 最終使成熟番茄果實呈現(xiàn)紫紅色 同時推測表達 CYP76AD1 CYP76AD6 或兩種基因的組合調(diào)控甜菜紅素 甜菜黃素的合成 也會獲得一系列其他的顏色 4 展望 番茄果實顏色的調(diào)控過程復雜 不僅與多種色素代謝過程有關 也受到激素 表觀遺傳 環(huán)境 因素的多重調(diào)控 在合成途徑已經(jīng)被完整解析的情況下 將來應集中對上游的調(diào)控因子及其如何應 答外界環(huán)境的分子機制進行深入研究 如最近利用基因敲除 RNAi 及病毒誘導的基因沉默 VIGS 等技術對番茄果實成熟過程中重要的調(diào)控因子 RIN NOR Cnr 進行反向遺傳學的研究發(fā)現(xiàn) 獲得 的突變表型與前期在自然界篩選到的表型不符 與基因編輯技術獲得的無效等位基因 null alleles 突變體相比 自然發(fā)生的突變體多為功能獲得性 gain of function 及顯性負性 dominant negative 突變 它們參與調(diào)節(jié)果實成熟及果實顏色