Network Inference Analysis Identifies an APRR2-Like Gene Linked to Pigment Accumulation in Tomato and Pepper Fruits
- 作者
- Yu Pan, Glyn Bradley, Kevin Pyke, Graham Ball, Chungui Lu, Rupert Fray, Alexandra Marshall, Subhalai Jayasuta, Charles Baxter, Rik van Wijk, Laurie Boyden, Rebecca Cade, Natalie H. Chapman, Paul D. Fraser, Charlie Hodgman, Graham B. Seymour
- 单位
- Division of Plant and Crop Sciences, University of Nottingham; School of Science and Technology, Nottingham Trent University; Syngenta Seeds; Syngenta Biotechnology; School of Biological Sciences, Royal Holloway University of London
- 杂志
- Plant Physiology（2013）
- DOI
- 10.1104/pp.112.212654
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定调控番茄和辣椒果实色素积累的新转录因子，并阐明其作用机制。
研究策略
利用人工神经网络（ANN）对番茄果实发育和成熟过程不同阶段的转录组数据进行网络推断，构建转录因子调控网络，筛选出与色素积累密切相关的APRR2-Like基因；通过转基因番茄过表达验证功能，并在辣椒群体中分析直系同源基因与果色性状的关联。
核心内容
该研究通过人工神经网络对番茄果实发育转录组数据进行网络推断，鉴定出一个新的色素积累调控因子APRR2-Like转录因子，并对其功能进行了系统验证。在转基因番茄中过表达该基因，其表达量最高达野生型的70倍，未成熟果实叶绿素含量显著升高，成熟果实中番茄红素从野生型的439.6微克/克增加到645.1–700.3微克/克，β-胡萝卜素和叶黄素含量也相应增加。机制分析显示，过表达系外果皮的质体数目和单个质体面积均显著增大，表明该基因通过扩大质体区室来提升色素合成能力，同时破色期RIN、ACO和PG等成熟相关基因的转录水平上调，提示其参与成熟进程调控。在辣椒群体中，该基因直系同源的一个终止密码子变异与未成熟果实颜色显著关联，且与一个可解释叶绿素含量变异超过50%的QTL共定位。这些结果证明APRR2-Like介导的色素调控机制在茄科植物中保守，为利用该基因改良果实营养品质提供了重要靶标。
创新点
首次利用人工神经网络推理鉴定出APRR2-Like转录因子作为番茄果实色素积累的新型调控因子；证明该基因通过增加质体数量和面积来提升叶绿素和类胡萝卜素含量；在辣椒中证实其直系同源基因与果实颜色变异相关，揭示该调控机制在茄科植物中保守。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素合成 | APRR2-Like (Solyc08g077230, GenBank KC147634) | APRR2-Like转录因子（含GARP DNA结合域） | 调控 | 过表达增加质体数量和面积，提升叶绿素和类胡萝卜素含量，并上调RIN、ACO、PG等成熟相关基因 |
| 甜椒（Capsicum annuum） | 类胡萝卜素合成 | APRR2-Like同源基因 (KC175445) | APRR2-Like蛋白 | 调控 | 与未成熟果实色素强度相关，白果亲本中存在提前终止密码子变异 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 果实成熟调控 | RIN (LeMADS-RIN) | MADS-box转录因子 | 调控 | 在APRR2-Like过表达系破色期表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 乙烯生物合成 | ACO1 | ACC氧化酶 | 催化 | APRR2-Like过表达系中破色期表达升高 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 细胞壁降解 | PG (多聚半乳糖醛酸酶) | 多聚半乳糖醛酸酶 | 催化 | APRR2-Like过表达系中表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 质体发育 | GLK2 | Golden2-like转录因子 | 调控 | cv Micro-Tom中为uniform突变，APRR2-Like功能独立于GLK2 |
关键发现
- 在转基因番茄中，APRR2-Like基因表达量最高达到野生型的70倍
- 过表达系的未成熟果实叶绿素含量显著升高（P<0.001），成熟果实类胡萝卜素含量显著增加
- 测定结果（μg/g）显示，番茄红素从野生型的439.6增加到645.1-700.3，β-胡萝卜素从64.15增加到54.7-89.1，叶黄素也有增加
- 外果皮质体数目在成熟绿果期和红熟期均显著增加（P<0.001），单个质体面积在成熟绿果期增大
- 过表达系中RIN、ACO和PG等成熟相关基因的转录水平在破色期上调
- 在辣椒中，APRR2-Like同源基因的一个终止密码子变异与未成熟果实颜色显著相关，且一个已报道的辣椒QTL位于该基因附近，该QTL可解释超过50%的叶绿素含量变异。
研究结论
番茄APRR2-Like基因编码一个与色素积累和果实成熟相关的转录因子，其功能在不同茄科物种中保守，主要通过增大质体区室大小来提升色素含量，并参与成熟过程的调控，是改良果实营养品质的重要靶标。