Tomato fruit carotenoid biosynthesis is adjusted to actual ripening progression by a light-dependent mechanism
- 作者
- Briardo Llorente, Lucio D'Andrea, M. Aguila Ruiz-Sola, Esther Botterweg, Pablo Pulido, Jordi Andilla, Pablo Loza-Alvarez, Manuel Rodriguez-Concepcion
- 单位
- Centre for Research in Agricultural Genomics, (CRAG) CSIC-IRTA-UAB-UB, Campus UAB Bellaterra, 08193 Cerdanyola del Valles (Barcelona), Spain; Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO), Barcelona Institute of Science and Technology, 08860 Castelldefels (Barcelona), Spain
- 杂志
- The Plant Journal（2015）
- DOI
- 10.1111/tpj.13094
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
番茄果实成熟过程中类胡萝卜素生物合成如何根据实际成熟进程进行精确调控，尤其是光信号通过何种分子机制参与该过程尚不清楚。
研究策略
综合运用系统发育分析、基因表达分析、转基因技术、病毒诱导基因沉默（VIGS）、染色质免疫沉淀（ChIP）及光过滤实验等手段，研究番茄PIF1a与光敏色素信号在类胡萝卜素合成调控中的功能和机制。
核心内容
该研究揭示了番茄果实类胡萝卜素生物合成通过光信号动态响应实际成熟进程的分子机制。作者鉴定出番茄PIF1a为真正的PIF转录因子，其表达在果实成熟期显著上升，红熟期约为成熟绿果的5倍。PIF1a蛋白在红光下迅速降解、远红光下稳定，并能直接结合PSY1启动子上的PBE盒抑制其表达；瞬时过表达导致果实黄化，而VIGS沉默或amiPIF1a转基因系中PSY1表达与PIF1a沉默程度呈显著负相关（r = -0.9725），八氢番茄红素和总类胡萝卜素含量显著增加。进一步研究发现，绿果叶绿素使透射光红光/远红光比值降低，形成自遮荫效应；以红果滤光处理时PSY1表达约为绿果滤光的2倍，且番茄红素和β-胡萝卜素积累更多，而成熟相关基因RIN、FUL1无差异，表明该调控独立于成熟进程本身。该工作首次阐明果实自身色素通过改变光质、经光敏色素-PIF1a模块将类胡萝卜素合成与成熟进度精确偶联，为通过下调PIF1a改良果实营养品质提供了新靶点。
创新点
1. 鉴定并证明番茄PIF1a是真正的PIF转录因子，直接结合PSY1启动子上的PBE盒抑制其表达；2. 首次揭示果实自身叶绿素引起的“自遮荫”效应通过改变光质（R/FR比）动态调节类胡萝卜素合成，使合成与成熟进度偶联；3. 证明通过下调PIF1a可显著提高番茄果实类胡萝卜素含量，为果实营养改良提供了新靶点。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | PIF1a (Solyc09g063010) | PIF1a（phytochrome-interacting factor 1a） | 调控 | bHLH转录因子，直接结合PSY1启动子PBE盒抑制其表达，受光敏色素介导的光依赖性降解 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合成酶1（Phytoene synthase 1） | 催化 | 类胡萝卜素合成途径的第一个限速酶，催化GGPP转化为八氢番茄红素 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | PSY2, PSY3 | 八氢番茄红素合成酶2/3 | 催化 | 果实成熟过程中对类胡萝卜素合成贡献较小，主要在光合组织中发挥作用 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶（Phytoene desaturase） | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成ζ-胡萝卜素 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-E | 番茄红素ε-环化酶（Lycopene ε-cyclase） | 催化 | 催化番茄红素一侧环化生成δ-胡萝卜素 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-B | 番茄红素β-环化酶（Lycopene β-cyclase） | 催化 | 催化番茄红素两侧环化生成β-胡萝卜素 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | CYC-B | 叶绿体特异性番茄红素β-环化酶（Chloroplast-specific lycopene β-cyclase） | 催化 | 在果实成熟过程中表达下调，参与叶绿体中的β,β-胡萝卜素合成 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | MEP途径（类胡萝卜素前体供应） | DXS1 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase） | 催化 | MEP途径的第一个限速酶，为类胡萝卜素提供前体IPP/DMAPP |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 果实成熟调控 | RIN (RIPENING INHIBITOR) | RIN（MADS-box转录因子） | 调控 | 成熟正调控因子，直接结合PSY1启动子并诱导其表达 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 果实成熟调控 | FUL1/TDR4 (FRUITFULL1) | FUL1（MADS-box转录因子） | 调控 | 与RIN协同调控果实成熟和PSY1表达 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 光信号转导 | HY5 | HY5（bZIP转录因子） | 调控 | 正调节类胡萝卜素积累，但本文未揭示其参与机制 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 光信号转导 | Phytochrome家族 | 光敏色素（Phytochrome） | 调控 | 红光/远红光受体，感知光质变化并调控PIF1a蛋白稳定性 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 用于验证光过滤对类胡萝卜素基因表达影响的模式植物 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 光信号转导 | PIF1, PIF3, PIF4, PIF5 (PIFq) | PIF家族转录因子 | 调控 | pifq突变体用于PIF1a功能的互补实验 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 瞬时表达系统 | PIF1a-GFP (外源表达) | PIF1a-GFP融合蛋白 | 调控 | 用于亚细胞定位和光依赖性降解分析 |
关键发现
- 番茄基因组含有6个PIF基因，其中PIF1a（Solyc09g063010）在果实成熟期表达量显著上升，橙色期约为成熟绿果的2倍，红熟期约为5倍。PIF1a蛋白在红光下迅速降解，远红光下稳定。PIF1a在拟南芥pifq突变体中表达可互补PIF1功能。瞬时过表达PIF1a导致果实黄化，类似yellow flesh突变体。VIGS沉默PIF1a上调PSY1表达。在amiPIF1a转基因系中，PSY1表达与PIF1a沉默程度呈负相关（Pearson r = -0.9725, P=0.0054），果实八氢番茄红素和总类胡萝卜素含量显著增加。ChIP证实PIF1a结合PSY1启动子PBE盒。绿果叶绿素使透射光的R/FR比降低，而橙/红果几乎无影响。用绿果色素过滤光处理后拟南芥PSY表达下调
- 在番茄白果双半实验中，红果滤光下PSY1表达约为绿果滤光的2倍，其他类胡萝卜素基因无显著变化。用不同滤光处理成熟绿果两半，红果滤光下番茄红素和β-胡萝卜素积累更多，PSY1表达显著升高，而成熟相关基因（RIN、FUL1）无差异。breaker期果实外果皮比内果皮有更高的PSY1表达和类胡萝卜素含量。amiPIF1a果实中滤光处理对PSY1表达的差异减弱。
研究结论
番茄果实通过叶绿素产生的自遮荫效应改变光质（降低R/FR比），经光敏色素-PIF1a模块动态调控PSY1表达，从而将类胡萝卜素生物合成与果实成熟进度精确偶联。该机制可被操纵以提高果实类胡萝卜素含量，为作物营养品质改良提供新策略。