番茄果实颜色形成的分子机制及调控研究进展.pdf

园艺学报 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 基金项目 国家自然科学基金项目 31471911 中国博士后科学基金项目 2015M581414 通信作者 Author for correspondence E mail lyhshen wangyu 番茄果实颜色形成的分子机制及调控研究进展 刘 昕 陈韵竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 东北林业大学生命科学学院 东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室 哈尔滨 150000 摘 要 番茄果实颜色主要包括绿色 黄色 红色 粉色和紫色等 这些颜色的形成是叶绿素 类 胡萝卜素 番茄红素 黄酮类化合物等多种次生代谢物质积累综合呈现的结果 针对近年来关于控制番 茄果实颜色形成的相关基因 生物合成途径及其调控机制的研究进展进行综述 旨在为今后通过生物技 术手段进行番茄果色农艺性状改良提供参考 关键词 番茄 果色 次生代谢途径 调控机制 中图分类号 S 641 2 文献标志码 A 文章编号 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 野生番茄原产于南美洲安第斯山脉 厄瓜多尔海岸以及秘鲁 经过几百年的栽培驯化 已成为 世界重要经济作物之一 Peralta Spooner 2005 Ranc et al 2008 番茄果实颜色有绿色 黄色 红色 粉色和紫色等 番茄果实颜色的多样性主要归因于果实中存在类胡萝卜素 红色 黄色果实 或花青素 紫色果实 当这两种主要色素缺失时 果实呈现绿色 番茄中含有的色素 尤其是番茄 红素和花青素 被证明具有抗癌 抗过敏 抗炎 抗病毒和抗氧化的活性 Bovy et al 2007 Seren et al 2008 因此番茄果色不仅是外观品质的重要性状之一 也成为了人们选择摄入更高营养价值 的参考标准 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 由于类胡萝卜素和黄酮类化合物生物合成途径的相关基因存在变异 最终导致不同资源番茄果 实中积累类胡萝卜素以及花青素组分和含量存在差异 以及内源激素和外界刺激对代谢途径的不同 程度的激活与抑制 使得番茄果实形成了丰富多彩的颜色表型 本文中对影响番茄果实颜色形成的 重要代谢物 如类胡萝卜素 类黄酮等的生物合成途径及其调控果实色泽机制进行了总结 以期为 相关番茄果色改良研究提供理论依据 1 类胡萝卜素代谢途径与番茄果实颜色形成 1 1 番茄果实类胡萝卜素代谢结构基因突变体 类胡萝卜素的生物合成途径已较为清晰 异戊烯焦磷酸在一系列酶作用下合成番茄红素 类 胡萝卜素 类胡萝卜素等类胡萝卜素 图 1 图 1 类胡萝卜素合成途径及相关果实颜色天然突变体 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 刘 昕 陈韵竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果实颜色形成的分子机制及调控研究进展 园艺学报 2020 47 9 1689 1704 1691 目前在番茄中分离鉴定出 2 个八氢番茄红素合酶基因 PSY1 和 PSY2 其中 PSY1 在果实和花中 特异表达 而 PSY2 在叶片中表达 Martel et al 2011 Fraser 等 2002 在番茄中过表达 PSY 基 因 果实中类胡萝卜素总量增加 2 4 倍 而番茄红素 胡萝卜素和叶黄素分别增加了 2 4 倍 1 8 倍和 2 2 倍 Fray 和 Grierson 1993 首次鉴定出番茄 r 突变体 yellow flesh 是由于 PSY1 基因发 生突变 导致成熟果实呈现黄色 而 Fantini 等 2013 及 D Ambrosio 等 2018 分别运用基因沉 默和 CRISPR Cas9 技术 发现 PSY1 基因功能缺失 致使番茄果实变为黄色 再次证实 PSY1 基因 的功能 类胡萝卜素异构酶基因 CRTISO 突变 果实呈现橘黄色 该突变体的四顺式番茄红素下游 的类胡萝卜素组分显著减少 Isaacson et al 2002 编码番茄红素 环化酶 LYC B 和番茄红 素 环化酶 LYC E 的 Beta 和 Delta 基因突变可使番茄果实呈橙色 Beta 和 old gold 互为等位基 因 Beta 突变体为功能获得性突变 LYC B 基因转录水平升高 果实中的 胡萝卜素积累 old gold 突变体为移码突变 导致缺少 LYC B 无法合成 胡萝卜素而使果实中全反式番茄红素积累较多 果实呈深红色 Ronen et al 2000 1 2 番茄果实类胡萝卜素合成调控 番茄类胡萝卜素的代谢调控是一个非常复杂的生物学过程 既与番茄的发育 激素 表观遗传 的内源性调控有关 也受各种外界环境因素 如光照 温度等 的影响 是一个多层面 多水平的 调节过程 图 2 图 2 番茄果实类胡萝卜素合成调控网络 Fig 2 Regulation network of carotenoid synthesis in tomato fruits Liu et al 2015a 1 2 1 乙烯 番茄属于呼吸跃变型果实 果实内部乙烯的形成量与果实进入成熟期密切相关 外部施加乙烯 也可以促进番茄的成熟及果色的转变 1 氨基环丙烷 1 羧酸合酶 ACS 和 1 氨基环丙烷 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 是乙烯合成过程中的限速酶 目前已在番茄中鉴定到 12 个 ACS 和 7 个 ACO 同源 基因 其中 SlACS1 SlACS2 SlACS4 SlACO1 在果实的发育和成熟过程中具有重要作用 Barry et al 1996 汪莹 等 2014 HD Zip 蛋白 SlHB1 被发现可以直接调控 SlACO1 的表达 促进乙烯释 放和果实成熟 Lin et al 2008 在果实的成熟过程中 乙烯对 PSY 基因的转录水平有正调控作用 同时 LYC B 基因受到抑制 从而抑制红色的番茄红素转化为橙色的 胡萝卜素 Klee Giovannoni 2011 乙烯响应因子 SlERF6 是一种类胡萝卜素合成的负调控因子 RNAi 降低 SlERF6 的表达 可 以促进番茄果实乙烯的释放和类胡萝卜素的积累 Lee et al 2012 多个番茄果实成熟突变体均是通过乙烯途径调控类胡萝卜素合成导致最终果实颜色发生变化 这些突变体可以分为两类 第 1 类为乙烯依赖型突变体 外源施加乙烯可以在某种程度上恢复果实 成熟相关基因表达 如 rin ripening inhibitor 突变体和 nor non ripening 突变体 番茄 rin 突变 体果实具有典型的成熟抑制表型 最终果实颜色呈现黄绿色 最新研究结果表明 这是由于基因组 DNA 缺失导致 RIN 和 MC 两个转录因子融合 新的融合蛋白具有转录因子特性 参与调控乙烯合 成通路中 ACS2 和 ACS4 基因的表达 从而影响类胡萝卜素的合成 Ito et al 2017 番茄 nor 突变 体果实呈黄绿色 经研究发现截短的 NOR 蛋白位于细胞核内 可以结合在 SlACS2 SlGgpps2 基因 的启动子区但不激活基因转录 同时 截短 NOR 蛋白还可以抑制野生型中 NOR 蛋白启动子的激活 导致果实呈现黄绿色表型 Gao et al 2020 第 2 类突变体为非乙烯依赖型突变体 它们对乙烯不 敏感 导致果实无法正常成熟 如 Gr Green ripe 突变体和 Nr never ripe 突变体 番茄 Gr 突 变体由于 SlGr 基因上游非编码区 334 bp 序列缺失 导致基因高量表达 负调控乙烯通路转导途径 使得突变体对乙烯不敏感 最终果实呈现绿色 潘晓琪 2015 编码乙烯受体的 SlETR3 ethylene receptor 3 基因突变体 Nr 可使番茄果实延迟成熟 表现为成熟果实呈橙黄色且硬度较大 Ciardi et al 2000 图 1 Karlova 等 2011 发现编码乙烯响应因子 APETALA2a 的 SlAP2a 基因被 RNAi 干涉后 乙烯水平升高 但是类胡萝卜素含量降低 同时发现 RIN NOR CNR Colorless non ripening 均可以正向调控 SlAP2a 突变体果实呈现橘黄色 1 2 2 脱落酸 类胡萝卜素是合成植物激素脱落酸 ABA 的前体物质 在 ABA 受体 PYR PYL RCAR 介 导下 ABA 可以调节番茄成熟过程中类胡萝卜素的含量和组成 Ma et al 2009 Park et al 2009 Sun et al 2011 翁倩等 2007 用不同浓度的外源 ABA 处理绿熟期的番茄果实 发现低浓度的 ABA 比高浓度 ABA 更能促进番茄红素的合成 加速果实变红 Mou 等 2016 发现对绿熟期番茄 注射 ABA 可以促进果实中类胡萝卜素积累 果实变红 而同时注射 ABA 和乙烯受体抑制剂 1 MCP 则抑制果实成熟 因此 ABA 可能通过乙烯的释放促进果实成熟 Wu 等 2018 对参与类胡萝卜素 及类黄酮生物合成途径的基因启动子进行分析后发现 该合成途径的下游基因启动子普遍含有 ABRE 和 ERE 基序 故推测 ABA 和乙烯可能通过调节 PSY LYC B 等下游基因影响果实发育过程 中的颜色变化 1 2 3 赤霉素 赤霉素 GA 是植物五大内源激素之一 它与类胡萝卜素和叶绿素有共同前体 GGPP 黄彬城 等 2006 报道 当类胡萝卜素合成量增加时 能使进入 GA 和叶绿素合成途径的 GGPP 减少 50 左右 于洋 2016 的研究表明 对绿熟期番茄果实进行涂抹外源 GA 3 处理可以抑制果实类胡萝卜 素和番茄红素的合成 对 胡萝卜素含量的影响表现为先抑制后促进 而叶黄素的含量则逐渐降 低 抑制果实变红 刘 昕 陈韵竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果实颜色形成的分子机制及调控研究进展 园艺学报 2020 47 9 1689 1704 1693 1 2 4 茉莉酸 外源施加茉莉酸甲酯 MeJA 能调控植物的生长发育 也能促进番茄中番茄红素和 胡萝卜 素的积累 MeJA 需要在茉莉酸信号受体蛋白 COI1 的介导下进行信号转导 研究表明 MeJA 可以通 过调节乙烯合成相关酶的活性来影响乙烯的合成 从而促进番茄红素的积累 用 MeJA 处理番茄后 果实内与乙烯合成相关的 ACO1 表达升高 ACO 酶活性升高 Yu et al 2011 MeJA 也可以通过 不依赖乙烯合成途径调节番茄果实中番茄红素的积累 Liu 等 2012 使用外源 MeJA 处理乙烯不 敏感的番茄突变体 Nr 可以显著促进番茄红素生物合成基因表达及番茄红素积累 也有 MeJA 抑制 番茄红素积累的报道 Czapski 等 1992 用 MeJA 蒸气处理绿色番茄果实 发现果实处理区域呈黄 色 未处理区域呈红色 即处理后番茄红素合成受抑制 故 MeJA 可能参与多条代谢途径 进而影 响番茄红素积累 同时处理浓度可能存在毒理效应 其具体的机制尚待深入研究 1 2 5 生长素 番茄果实成熟前游离的生长素 IAA 含量下降 而 IAA Asp 浓度开始增加 IAA 可能通过调 节其氨基酸偶联物的水平控制果实成熟 Bottcher et al 2010 下调番茄生长素响应因子 ARF4 可 使果实呈暗绿色 叶绿体增多 ARF4 可能通过结合在 SlGLK1 Goldern2 Like 启动子区的 ARF 基序 TGTCTC box 下调 GLK1 的表达 从而增加叶绿素的积累 Jones et al 2002 1 2 6 表观遗传调控 番茄 Cnr Colorless non ripening 突变体由于编码 SlSPL CNR SBP box family 转录因子的 基因启动子区存在 286 bp 连续的高度甲基化区域 抑制 SlSPL CNR 表达 果实呈现黄绿色 Manning et al 2006 Zhong 等 2013 采用全基因组亚硫酸盐测序的方法分析了番茄果实成熟过程中全基 因组甲基化水平的动态变化 结果表明在果实成熟之前大部分成熟相关基因启动子序列处于高度甲 基化状态 从而不能被转录因子结合 随着果实的发育 其启动子序列逐渐呈现出低甲基化状态 进而被转录因子识别并上调表达 同时研究表明外源施用 DNA 甲基转移酶的抑制剂 5 azacytidine 5 az 可以加快果实成熟 Liu 等 2015b 发现 DNA 去甲基化酶也参与调控番茄果实的成熟过程 通过敲除番茄 SlDML2 基因 使得全基因组范围内的甲基化水平升高 诱导果实成熟的基因表达受 到抑制 从而限制类胡萝卜素的合成 最终果实不能正常成熟而呈现为绿色的表型 近期研究发现 RNA 甲基化 m 6 A 整体水平随着番茄果实成熟逐渐下降 黄绿色的 Cnr 突变体果 实由于 RNA 去甲基化酶基因 SlALKBH2 表达减少 导致 m 6 A 甲基化水平升高 同时 SlALKBH2 可 以受到 DNA 甲基化的调控 结合 SlDML2 的转录本 这将果实成熟过程中的 DNA 甲基化与 RNA 甲基化之间建立了分子联系 Zhou et al 2019 Zuo 等 2020 通过采用深度测序 生物信息学分析 代谢组学等手段 以红色的 AC 绿色的 Gr 和黄色的 r 番茄果实为材料 发现了一些 DNA 甲基化差异基因和非编码 RNA 存在于乙烯通路 中和类胡萝卜素通路中 这些非编码 RNA 可能靶向 ACO2 ERF2 ERF5 PSY1 ZISO 等关键酶 1 2 7 光照 光照有利于番茄果实中类胡萝卜素的积累 Schofield Paliyath 2005 蒲高斌等 2005 在 番茄绿熟期后进行不同光质处理 发现与白光对照相比 红光处理可以显著提高果实的番茄红素含 量 而绿光处理则降低了番茄红素含量 孙娜 2015 的研究表明 番茄幼苗长至三叶一心时 持 续置于不同光质下处理 可显著提高番茄果实番茄红素含量 其中光质的有效性表现为红蓝组合光 1 1 红光 蓝光 植物通过光受体感受光信号 隐花色素 cryptochromes 是一种蓝光受体 过表达 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 转基因番茄出现了明显色素沉着 果实中类黄酮和番茄红素含量升高 同时 SlLYC B 的表达降低 Giliberto et al 2005 介导红光和远红光信号途径的光敏色素 phytochrome 在光激活后转移 到细胞核 与光敏色素相互作用因子 PIF 互作 使其磷酸化并降解 从而调控相关基因表达 番 茄中的 PIF1a 作为拟南芥中的 PIF1 的同源基因 与 PSY1 基因启动子上的 G box 基序结合抑制类胡 萝卜素合成 是类胡萝卜素合成的负调控因子 由于番茄绿色果实中存在高含量叶绿素和低含量类 胡萝卜素而产生的遮荫效应 改变了穿透果皮的光谱组成 增加了光敏色素非活性 Pr 形态的比例 促使 PIF1a 积累 结合并抑制 PSY1 基因表达 当果实逐渐成熟时 叶绿体开始降解 自我遮荫效 应降低 光敏色素转变为活性 Pfr 形态 从而促进 PIF1a 降解 导致 PSY1 表达去抑制 类胡萝卜素 生物合成增加 促进果实颜色变为红色 Casal 2013 Llorente et al 2016 光信号转导因子的突变也可导致类胡萝卜素含量升高 如 hp 1 high pigment 1 突变体是由 于 DDB1 基因突变导致果实深红色 hp 1 突变体对红光和蓝光较为敏感 并且 HP 1 对向光性信号 传递的通道有调控功能 参与植物的光形态建成过程 Srinivas et al 2004 hp 2 high pigment 2 突变体被证实是编码光形态建成负调节因子 DET1 的基因发生突变 从而影响类胡萝卜素积累 导 致果实呈现深红色 Liu et al 2004 1 2 8 温度 类胡萝卜素代谢对温度极其敏感 与最佳着色温度相差 1 都可能对果实着色产生显著影响 Young 1991 Dumas 等 2003 报道 温度在 12 以下和 32 以上时 番茄红素的生物合 成分别受到强烈抑制和完全阻断 高温可以通过抑制与成熟相关基因的转录来抑制番茄红素合成和 果实成熟 Lurie 等 1996 在 38 下处理番茄绿色果实 发现 ACO 和 PSY 的 mRNA 水平大幅下 降 番茄红素无法积累 抑制果实变红 仍为绿色 目前发现部分热休克蛋白可能与温度对果实着色的影响有关 HSP21 可以促进果实成熟过程中 类胡萝卜素的积累 热处理可以诱导该蛋白在番茄果实中的积累 在低温下长期保存再热处理后的 果实 发现了 HSP21 的转录产物 超表达 HSP21 的绿熟期果实不经热处理直接冷藏后 仍可继续 积累类胡萝卜素 果实呈现少许红色 Neta Sharir et al 2005 2 花青素代谢途径与番茄果实颜色形成 2 1 番茄果实花青素代谢结构基因突变体 普通栽培种番茄果实中并不积累花青素 为了探究这一生物学问题 同时培育出富含花青素的 番茄 分子生物学家和植物育种家自 21 世纪初开始运用各种手段增加番茄中花青素含量 由于花青 素的生物合成途径研究已较为深入 即由苯丙氨酸作为直接前体物质 经过一系列的酶促反应 最 终生成花青素 并转移至液泡中储存 人们首先想到的是过表达该途径中编码酶的结构基因 Muir 等 2001 首次将矮牵牛的 CHI 基因转入番茄中 转基因植株的果皮中黄酮醇含量增加了 78 倍 但是果实未如期变为紫色 其花青素生物合成途径似乎被阻断 采用类似的方法 Schijlen 等 2006 将不同植物来源的花青素合成途径的结构基因转入番茄中 均没有改变果实颜色 这些研究表明 要触发花青素的合成 仅仅增加结构基因的表达是不够的 转入特定的转录因子是花青素生成的必 要条件 刘 昕 陈韵竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果实颜色形成的分子机制及调控研究进展 园艺学报 2020 47 9 1689 1704 1695 2 2 番茄果实花青素合成调控 2 2 1 MYB转录因子 虽然栽培种番茄果实不含有花青素 但是前人通过将其与野生番茄进行杂交育种 培育出了果 皮合成花青素的番茄品系 即当 Aft atv 和 Abg 基因座从野生种渗入到栽培番茄中可以促使其果皮 中花青素积累 使果实呈现紫色或紫色斑点 Jones et al 2003 近 10 年来 利用遗传学及分子生 物学结合转基因手段对控制这 3 个基因座的基因进行了深入探究 其中 源自野生种 S chilense 的 Aft 基因型受单个显性基因调节 该候选基因最初被定位到 10 号染色体上 4 个串联的 R2R3 MYB 转 录因子 AN2 ANT1 ANT1 like AN2 like 近期研究表明 利用 CRISPR Cas9 基因编辑技术敲 除 SlAN2 like 可以显著减少果实中花青素含量 而敲除 SlAN2 SlANT1 SlANT1 like 对果实花青 素含量影响较小 故 AN2 like 基因即为控制 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 发现在 SlAN2 like InR 及 SlAN2 like AC 存在可变剪接 A653G 位碱基差异导致普通栽培种番茄 AN2 like 蛋白缺失了 R3 结构域和 C 末端 造成栽培种番茄果皮无 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 当 atv 基因座与 Aft 或 Abg 基因座结合时 番茄果实中的花青素含量显著增加 呈现明显紫色 Mes et al 2008 来 自 S cheesmaniae 的 atv 基因座遵循隐性遗传模式 被精细定位在 7 号染色体约 5 kb 的区间内 为 编码 R3 MYB 类型的负调控因子 由于存在 4 bp 插入导致的移码突变 atv 基因型品系中花青素合 成相关结构基因和调节基因全部上调表达 所以 Aft Aft atv atv 番茄果实大量积累花青素 果实呈现 紫色 Cao et al 2017 因此 Aft 基因型番茄果皮上紫色斑点的不均匀分布 可能是由于存在 ATV 蛋白抑制了花青素的合成 图 3 源自 S lycopersicoides 的 Abg 基因座也定位于 10 号染色体 但 由于其存在纯合致死现象 目前 Abg 基因座尚未确定 Rick et al 1994 2 2 2 bHLH转录因子 番茄中有 SlAN1 和 SlJAF13 两个 bHLH 转录因子参与花青素调节 Qiu 等 2016 在番茄中过 表达 SlAN1 可以显著提高果皮中花青素含量 果实果肩部位呈现紫色 经转录组数据分析 SlAN1 与 S1F3 5 H 和 S1DFR 共表达 即 S1F3 5 H 和 S1DFR 可能为 SlAN1 调控的下游结构基因 Montefiori 等 2015 经试验证明在茄科植物烟草中 AN1 通过 MYB AN1 WD40 复合物直接激活花青素生物 合成途径 而 JAF13 通过形成 MYB JAF13 WD40 复合物调节 AN1 基因表达 间接调节花青素生物 合成途径 2 2 3 WD40蛋白 WD40 蛋白是含有 4 16 个 WD 重复结构域的蛋白质家族 番茄的 SlAN11 蛋白属于 WD40 蛋 白 具有调节花青素合成的功能 在野生型和富含花青素的 35S SlANT1 和 35S SlAN2 转基因番茄 中 SlAN11 在果皮中的表达水平相似 即 WD40 基因在富含花青素组织和非花青素组织之间的表达 量无显著差异 Kiferle et al 2015 Gao 等 2018 过表达 SlAN11 基因发现其可以有效调控番茄 叶片和茎中花青素含量 并激活晚期类黄酮合成基因 但不能促进番茄果皮花青素的产生 2 2 4 光照 18 世纪末 Senebier 最早发现类黄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样受光调控 与遮光部分相比 直接暴露于光的番茄果实部分表现 出更强烈的花青素色素积累 即产生较多紫色斑点 Mazzucato et al 2013 除光强外 光质也会 影响花青素的生物合成 随着研究的深入 人们发现 UV B Catola et al 2017 UV A Guo Wang 2010 UV B 蓝光复合光 Drumm Herrel Mohr 1982 蓝光 Weller et al 2001 红光 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 均可诱导花青素的合成 这表明不同的光受体接受光信号转导至花青素合成途径 最 终诱导花青素的合成 Guo 和 Wang 2010 报道 UV A 辐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 本课题组曾利用单光及复合光处理 Aft 番茄果实时发现 蓝光或 UV B 处理下 Aft 番茄果实紫色斑点较少 然而在蓝光 UV B 的复合光处理下 Aft 番茄果实可以形成 大量的紫色斑点 故推测蓝光 UV B 在诱导 Aft 番茄合成并积累花青素的过程中存在协同增益效 应 杨琳 2017 COP1 是一种 E3 泛素连接酶 是光信号途径中关键抑制因子 它通过靶向泛素化 HY5 HYH LAF1 和 HFR1 等转录因子 促使这些光信号途径转录因子被 26S 蛋白酶体识别并降解 进而抑制 黑暗中的光形态发生 Lau Deng 2012 bZIP 转录因子 HY5 通过介导光受体反应促进光形态发 生 在光信号传递中发挥着关键作用 Gangappa Botto 2016 HY5 可以通过直接与基因启动子 上的 G box 或 ACEs 基序结合 在体内靶向大量光敏感基因 是花青素积累过程中的一个正向调控 因子 Zhang et al 2011 Qiu 等 2018 利用 CRISPR Cas9 系统敲除紫色番茄 Indigo Rose 中 的 SlHY5 基因 T2 代番茄花青素含量有所降低 只有果蒂和果肩呈现紫色 番茄通过接受不同光质 光强影响花青素合成 但目前研究缺少光受体与上游转录因子相关的作用机制 除 COP1 HY5 这一 信号通路外是否存在其他信号通路仍有待研究 图 3 番茄果实花青素合成 MYB 转录因子调控途径 Fig 3 Regulatory pathways of MYB transcription factor for anthocyanin synthesis in tomato fruits Colanero et al 2020b 刘 昕 陈韵竹 Kim Pyol Kim Min Jun Song Hyondok 李玉花 王 宇 番茄果实颜色形成的分子机制及调控研究进展 园艺学报 2020 47 9 1689 1704 1697 2 2 5 温度 低温可以激活 MBW 复合物的 bHLH 转录因子 从而诱导花青素积累 低温处理 5 叶龄番茄 幼叶中 AH 表达水平较对照低 这与花青素含量的变化相关 表明 AH 是低温胁迫下花青素生物合 成的调节因子 Qiu et al 2016 Petric 等 2018 将 Aft Aft atv atv 基因型番茄果实放置在光照和 低温 12 条件下贮藏 3 周 发现低温可以促进花青素的积累 在未处理时果实呈绿色 1 周后 呈橙色 红色 2 周后开始呈紫色 在室温 24 下花青素并没有随时间的增加而积累 而且贮 藏 3 周的果实硬度下降并开始腐烂 温度对于番茄花青素合成影响的研究 目前局限在表型观察 以及在转录水平检测相关基因的表达 其详细的分子机制仍不十分清晰 3 基因工程改良番茄果色 为了改良番茄果色 传统的育种手段多采用杂交育种 诱变育种等方法 但费时费力且进展缓 慢 随着高通量测序及基因编辑技术的飞速发展 基因工程成为了更加有效的育种策略 目前的番 茄果实颜色改良主要集中在改变类胡萝卜素和类黄酮代谢产物的积累 少部分报道通过引入其他色 素合成基因改变番茄果实颜色 图 4 图 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 基因编辑系统敲除类胡萝卜素代谢途径中的关键酶基因可以改变番茄果实颜色 如敲除 PSY1 可以获得黄色果实 D Ambrosio et al 2018 Li 等 2018b 敲除叶绿素降解以及类 胡萝卜素代谢相关基因 SGR1 LCY E LCY B2 Blc 显著提高了番茄果实中番茄红素含量 同时 由于叶绿素和番茄红素的积累 果实呈现出红锈色 通过基因工程转入关键酶基因 可促进番茄红 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 素转化为 类胡萝卜素和玉米黄素等下游代谢产物 减少果实中番茄红素的积累 果实颜色变为 黄色等 Karniel 等 2020 在 hp3 B Sh 突变体中异源表达柑橘中的 胡萝卜素羟化酶基因 CcBCH2 导致玉米黄素积累 获得的果实在绿色时期带有些微黄色 Dharmapuri 等 2002 报道在番茄中通 过 Pds 果实特异启动子驱动拟南芥 类胡萝卜环化酶基因 b Lcy 和甜椒 类胡萝卜素羟化酶基因 b Chy 转基因果实中 胡萝卜素 玉米黄素和 隐黄质含量显著增加 果实呈现橙色 运用基因工程的手段敲除或引入类黄酮代谢途径中相关转录因子可以达到改变番茄果色的目 的 番茄中的 SlMYB12 基因被证明编码一个可以调控柚皮苷查尔酮生物合成的关键转录因子 通过 CRISPR Cas9 基因编辑系统敲除 SlMYB12 基因 导致表皮中缺乏类黄酮 变为无色 而由于果肉为 红色 导致果实整体呈现粉色表型 Zhu et al 2018 番茄果实中的花青素通常存在于果皮中 近 年来通过基因工程手段已培育出果皮和果肉中均含有花青素的品种 Butelli 等 2008 通过番茄果 实特异性启动子 E8 异源表达金鱼草的 bHLH 转录因子 Del Delila 和 MYB 转录因子 Ros1 Rosea1 获得果皮及果肉均为紫色的番茄果实 Luo 等 2008 在 Money Maker 番茄中转入 E8 AtMYB12 提高了果实中黄酮醇的含量 获得了橘黄色果实 Zhang 等 2015 将 Del Ros1 番茄和 E8 AtMYB12 番茄进行杂交 获得了一种 Indigo 番茄 呈靛蓝色 同时果实中花青素 黄酮醇 绿原酸的含 量显著提高 Scarano 等 2018 在 Indigo 番茄中引入葡萄二苯乙烯合成酶基因 VvStsy 开发出 了青铜色的 Bronze 番茄 果实中富含黄酮醇 花青素和二苯乙烯 Sun 等 2020 在 AC 番茄 中通过 E8 启动子过表达 SlAN2 like InR 基因 同样获得了果皮和果肉均为紫色的番茄 除了通过调控类胡萝卜素和花青素途径基因改良番茄果实颜色外 通过基因工程引入其他色素 合成基因同样可以改变番茄果实颜色 Polturak 等 2017 将甜菜素合成相关基因 CYP76AD1 BvDODA1 和 cDOPA5GT 转入番茄中 为了使甜菜素特异性的在番茄成熟果实中表达 选用了 E8 启动子驱动 CYP76AD1 基因 最终使成熟番茄果实呈现紫红色 同时推测表达 CYP76AD1 CYP76AD6 或两种基因的组合调控甜菜红素 甜菜黄素的合成 也会获得一系列其他的颜色 4 展望 番茄果实颜色的调控过程复杂 不仅与多种色素代谢过程有关 也受到激素 表观遗传 环境 因素的多重调控 在合成途径已经被完整解析的情况下 将来应集中对上游的调控因子及其如何应 答外界环境的分子机制进行深入研究 如最近利用基因敲除 RNAi 及病毒诱导的基因沉默 VIGS 等技术对番茄果实成熟过程中重要的调控因子 RIN NOR Cnr 进行反向遗传学的研究发现 获得 的突变表型与前期在自然界筛选到的表型不符 与基因编辑技术获得的无效等位基因 null alleles 突变体相比 自然发生的突变体多为功能获得性 gain of function 及显性负性 dominant negative 突变 它们参与调节果实成熟及果实颜色