2019多篇论文报道番茄花青素合成调控机制！
1. 近日，New Phytologist在线发表了华南农业大学曹必好教授团队题为Anthocyanin Fruit encodes an R2R3-MYB transcription factor, SlAN2-like, activating the transcription of SlMYBATV to fine-tune anthocyanin content in tomato fruit 的研究论文，揭示了Aft-SlMYBATV调控紫色番茄形成的分子机制。
花青素是目前发现的最有效的天然抗氧化性剂，具有抗衰老、增进视力、预防癌症、预防心血管疾病等功效。番茄是我国乃至世界上最重要的蔬菜作物之一，然而不同于其他茄果类蔬菜，如茄子和辣椒，常见的栽培番茄中几乎不含有花青素。近年来，通过传统遗传育种的方法将来自于野生番茄的花青素合成位点Aft和atv导入栽培番茄中可极显著的提高番茄果实中花青素的含量。Aft基因被定位于番茄10号染色体，其定位区间含有4个氨基酸序列一致性高且位置相邻的R2R3-MYB转录因子：SlAN2 (Solyc10g086250), SlANT1 (Solyc10g086260), lANT1-like (Solyc10g086270) 和SlAN2-like (Solyc10g086290)，制约了Aft位点的基因克隆。ATV则被定位于7号染色体，编码一个R3-MYB转录抑制因子SlMYBATV。Aft和atv如何调控紫色番茄形成的分子机制仍不清楚。
该研究以紫果番茄品种‘Indigo Rose’为试验材料，通过分子遗传学手段将Aft精细定位于番茄10号染色体约145kb的范围内，该区间仅含有SlAN2-like转录因子。该研究进一步通过CRISPR/Cas9基因编辑的方法证实Aft编码R2R3-MYB转录因子SlAN2-like，正调控番茄果实中花青素的积累。该研究也利用CRISPR/Cas9基因编辑的方法，通过突变SlMYBATV基因提高番茄果实花青素的含量，进一步证实了SlMYBATV负调控花青素的积累。
酵母单杂试验、酵母双杂交试验和双荧光素酶报告系统试验表明，Aft可直接结合SlMYBATV基因的启动子激活SlMYBATV基因的表达，SlMYBATV蛋白则与Aft竞争性结合SlJAF13蛋白，进而抑制Aft基因的功能和番茄果实中花青素的积累。而当ATV基因突变后， atv蛋白抑制功能丧失，Aft则与SlJAF13结合激活SlAN1和SlAN11等基因的表达，促进番茄果实中花青素的积累。
该论文第一作者为华南农大园艺学院青年教师颜爽爽；博士研究生陈娜和中国农业科学院蔬菜花卉研究所黄泽军研究员为本文的并列第一作者；通讯作者为华南农大园艺学院青年教师邱正坤，曹必好教授和广东省农科院蔬菜所刘小茜博士为该论文的并列通讯作者。
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2. 近日，Molecular Plant 在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究员与北京农林科学院李常保研究员合作的题为 A Transcriptional Network Promotes Anthocyanin Biosynthesis in Tomato Flesh 的研究论文，揭示了番茄响应光信号积累花青素的分子机制并通过遗传操作创制出果肉富含花青素的紫色番茄。
花青素是一种天然的水溶性植物色素，是花、果实等植物器官呈色的主要原因。它还是一种天然的抗氧化剂，具有重要的保健功能。可以降低心血管疾病、衰老相关的退行性病变以及癌症等疾病给人们带来的身体伤害和生命威胁。番茄是世界上最重要的蔬菜作物之一，由于口感鲜美，酸甜宜人，受到人们普遍的欢迎。然而，市场上常见的普通番茄基本不含花青素。因此，对番茄花青素合成调控机制的研究在指导番茄品种改良的实践中具有重要的参考价值。2012年，来自美国俄勒冈州立大学的"Indigo Rose"(InR)番茄品种问世，这是第一个在果实（仅在果皮）中富含花青素的番茄品种，而且InR果皮花青素的积累需要强光的调控。Aft和atv是InR中的两个调控花青素合成的位点，但人们对于这两个位点编码的具体基因以及光调控花青素积累的分子机制还知之甚少。
该研究首先通过bulk population sequencing方法克隆了InR中控制花青素积累的基因。分析显示Aft编码一个正向调控花青素合成的R2R3-MYB蛋白SlAN2-like。该基因在普通栽培番茄中因为第二外显子5'剪切位点突变导致其基因异常转录并失去激活花青素合成的能力。atv编码一个负向调控花青素合成的R3-MYB蛋白SlMYBATV。利用CRISPR/Cas9技术在Aft的背景下敲除该基因可以有效提高番茄果皮中花青素含量。光照通过SlHY5激活SlAN2-like的表达，随后，SlAN2-like通过激活SlAN1和SlMYBATV的表达进而诱导番茄果皮中花青素的合成。SlMYBATV则通过与SlAN2-like竞争性结合bHLH转录因子SlAN1的方式抑制果皮中花青素生成。由此发现，SlAN2-like在接受光信号并开启花青素合成通路的过程中起到至关重要的作用。
该研究为改良番茄品质提供了重要的靶标基因。同时，作者利用果实特异启动子过表达SlAN2-like，获得了果皮和果肉中均有丰富花青素积累的紫色番茄。该研究成果不仅加深了我们对花青素合成机制的理解，而且对作物花青素性状的改良提供了新的思路与技术途径。
果实特异过表达SlAN2-like诱导花青素在番茄果皮和果肉中积累
李传友研究组的博士研究生孙传龙和工程师邓磊为该论文的共同第一作者。李传友研究员和李常保研究员为该论文的共同通讯作者。青岛市农科院蔬菜研究所黄婷婷研究员、山东农业大学赵久海教授、陈谦教授参与了研究工作。该研究得到中国科学院战略性先导专项、国家重点研发计划和农业部的资助。
论文原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1674205219303363
3. 花青素是一种在自然界广泛分布、抗氧化能力很强的天然植物色素，研究表明日摄入足量的花青素能够有效降低人体患多种慢性疾病的风险。然而，作为一种世界范围内广泛消费的重要经济作物，番茄果实却几乎不含花青素，因而培育富含花青素的番茄果实成为众多研究者追求的目标。2008年Nature Biotechnology杂志报道了同时超量表达两个转录因子Del和Ros1能够获得富含花青素的番茄果实Del/Ros1；2015年发表在Nature Communications杂志的文章表明转录因子AtMYB12能够进一步增加Del/Ros1果实中花青素的含量。然而这些研究中获得的紫色番茄均是通过同时超量表达2个或者3个外源转录因子来实现的，这种多基因策略在一定程度上为传统育种者带来了挑战。
Horticulture Research 在线发表了重庆大学生命科学学院李正国教授团队题为SlMYB75, an MYB-type transcription factor, promotes anthocyanin accumulation and enhances volatile aroma production in tomato fruits的研究论文。该研究综合运用了遗传学、分子生物学和生理生化等技术从分子和代谢层面对SlMYB75的功能进行了系统的分析，明确了超量表达番茄内源单个SlMYB75转录因子就能够大量积累花青素并获得显著紫色的番茄果实，并有效改善果实品质属性。
SlMYB75基因的表达模式及SlMYB75超表达促进番茄果实花青素合成
除了感观上花青素大量积累外，SlMYB75超表达果实成熟过程中的部分品质属性也显著提高，包括黄酮类物质、酚类物质和芳香挥发物，特别是部分萜烯类挥发物（萜烯类挥发物在WT番茄果实中本底含量很低）的含量能够提高10倍以上。与此相对应，转录组分析发现SlMYB75-OE果实中相关的多条代谢途径，如苯丙烷和芳香挥发物等途径均发生了变化。酵母单杂交和双荧光素酶实验表明，SlMYB75转录因子能够与MYBPLANT和MYBPZM元件相互作用，并且可能通过直接靶向调控下游芳香合成基因的表达来促进芳香挥发物的积累。该研究结果为明确SlMYB75在植物中的功能奠定了基础，同时也为今后通过分子标记育种或基因工程技术改良番茄品质提供了参考。
论文原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41438-018-0098-y/tables/
4. 近日，Plant Communications在线发表了来自意大利研究人员完成的题为Alternative splicing in the Anthocyanin fruit gene leads to a non-functional R2R3 MYB transcription factor in tomato fruits 的论文。该研究发现了一个R2R3 MYB转录因子——SlAN2like的功能缺失在驯化番茄无法积累花青素而呈现红色上的重要作用。
一般情况下，普通番茄（Solanum lycopersicum L.）成熟时果实呈现红色。Aft（Anthocyanin fruit）番茄是在普通番茄与智利番茄（Solanum chilense）杂交后代中分离得到的，与普通番茄相比，Aft番茄果皮可以在强烈的光照下，积累花青素而呈现紫色，并且这种表型可能与十号染色体长臂上的一个基因区域有关[1]。前人研究表明这个基因区域内的4个R2R3 MYB基因可能通过MYB-bHLH-WDR（MBW）转录复合体调控花青素的合成[2-4]，然而具体的分子机制还需要进一步的研究。
作者通过比较野生型和Aft番茄中4个R2R3 MYB（SlANT1，SlANT1like，SlAN2和SlAN2like）基因的序列，发现这些基因和其所编码的蛋白质是高度保守的，但是仍有部分基因和氨基酸序列有差异。为了研究这些R2R3 MYB能否通过MBW复合体调控花青素的合成。作者利用番茄原生质体瞬时转化体系检测野生型和Aft番茄中四个R2R3 MYB转录因子的转录激活能力。结果表明，Aft番茄中四个R2R3 MYB转录因子和野生型番茄中的三个R2R3 MYB转录因子均可以显著激活报告基因的表达，只有野生型番茄中的SlAN2likeWT转录因子缺乏这种激活功能。进一步的烟草体系实验也验证了野生型番茄中的SlAN2likeWT转录因子与Aft番茄中SlAN2likeAft转录因子相比激活功能是缺失的。
为了进一步验证SlAN2like转录因子在番茄果实色素积累中的功能，作者观察野生型和Aft番茄在强光条件下花青素产生的情况并检测相关基因表达。表型观察发现在Aft番茄中，正对光的一面积累了花青素，而背对光的一面没有产生花青素；在野生型番茄中，无论正对还是背对光，都没有花青素产生。基因检测结果显示：1）在果皮成熟阶段，SlANT1和SlANT1like的表达水平在野生型和Aft番茄中变化不大。2）在Aft番茄中，四个R2R3 MYB转录因子中SlAN2like基因的表达量最高，而在野生型中，SlAN2like基因的表达量很低，而SlAN2的表达量较高。3）野生型中SlAN2的高表达并不能有效地诱导花青素的合成，而Aft番茄中SlAN2likeAft基因的高表达可以诱导花青素的合成。进一步通过番茄原生质体瞬时转化体系检测发现，Aft番茄中SlAN2likeAft基因的高表达并不是通过MBW转录复合体自激活导致的。
那么为什么野生型中的SlAN2likeWT基因是没有功能的呢？为了回答这个问题，作者从野生型和Aft番茄向光面中扩增SlAN2like基因的CDS。发现从Aft番茄中可以扩增出来一种符合预期的比较长的CDS；而从野生型果皮中扩增出来两种比较短的CDS，且这两种短SlAN2like CDS均表现为翻译的提前终止。通过番茄原生质体瞬时转化体系检测发现，野生型番茄中的两种比较短的SlAN2like CDS转录本并不能有效激活花青素合成基因的表达，而人工合成野生型符合预期的SlAN2like CDS可以激活花青素合成基因的表达，表明野生型中SlAN2likeWT基因存在可变剪切，并且这种可变剪切会影响SlAN2like对下游花青素合成基因的调控。
通过比较野生型和Aft番茄内SlAN2like蛋白的结构，发现野生型番茄内SlAN2likeWT蛋白缺少了R3结构域，可能会影响MBW复合物的形成。接下来的原生质体双分子荧光互补实验检测发现SlAN2likeAft可以与SlAN1（一种bHLH因子）相互作用，而SlAN2likeWT蛋白不可以与SlAN1相互作用，表明野生型中提前翻译终止的SlAN2like蛋白质降低了与bHLH因子的结合能力，从而影响MBW复合体对花青素合成的调控。通过检测其他品种番茄的SlAN2like基因表达量以及可变剪切，作者发现SlAN2like基因的表达量以及可变剪切是调控番茄是否合成花青素的重要因素。至此，作者揭示了番茄可以通过控制SlAN2like蛋白的合成来调控花青素合成的分子机制。
论文链接：
https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S2590-3462%2819%2930006-9
来源：华南农业大学、遗传所、Mol Plant以及园艺研究公众号