中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所茄科研究室番茄遺傳育種團(tuán)隊(duì)和生物技術(shù)研究室生物信息團(tuán)隊(duì)合作，成功揭示了啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)構(gòu)變異影響花發(fā)育模型D類(lèi)基因AFF的劑量效應(yīng)，導(dǎo)致番茄不形成凝膠狀（jelly-like）的心室組織，并證實(shí)了番茄心室組織是由胎座組織向外衍生而來(lái)的推斷。相關(guān)研究成果于近日在線發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Journal of Experimental Botany（IF5-year 7.860）上，題目為“All-Flesh Tomato Regulated by Reduced expression Dosage of AFF Through a Promoter SV Mutation”。

 

　　心室膠狀物（locule gel）的形成是番茄等肉質(zhì)漿果的典型特征和風(fēng)味的重要組成。心室膠狀物是番茄果實(shí)除果皮外的第二大豐富組織，約占果實(shí)鮮重的23%, 是番茄汁液的主要組成部分，富含糖、有機(jī)酸、維生素及揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。因此，心室膠狀物的形成對(duì)果實(shí)的發(fā)育和風(fēng)味具有重要作用。

 

　　作為研究果實(shí)發(fā)育的模式植物，特別是隨著番茄基因組測(cè)序的完成，番茄的進(jìn)化歷程、果重、產(chǎn)量、風(fēng)味與代謝的調(diào)控及果實(shí)發(fā)育和成熟的時(shí)空調(diào)控等分子機(jī)制已被揭示，但心室膠狀物的形成及其調(diào)控機(jī)制仍不十分清楚。隨著現(xiàn)代生活對(duì)番茄風(fēng)味越來(lái)越多的關(guān)注，深入理解心室膠狀物形成和發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，及明確其對(duì)果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)的影響愈發(fā)重要。

 

　　該研究以在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的全果肉番茄（all-flesh fruit, AFF）為材料。全果肉番茄的心室組織在果實(shí)發(fā)育和成熟過(guò)程中一直保持固態(tài)結(jié)構(gòu)，不形成凝膠狀的心室膠狀物，但能夠正常發(fā)育和成熟，并產(chǎn)生正常的種子，是研究心室組織分化和膠狀物形成的調(diào)控機(jī)制，以及心室膠狀物的形成對(duì)果實(shí)風(fēng)味影響的理想材料。

 

　　該研究首先通過(guò)遺傳分析和精細(xì)定位克隆了AFF基因，并用轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)證實(shí)了AFF基因調(diào)控心室膠狀物形成的功能。利用構(gòu)建的全果肉番茄近等基因系（NILs）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)控全果肉番茄形成的功能是AFF基因所特有，不能被同源性最高的TAG1、TAGL1和TAGL11基因彌補(bǔ)。進(jìn)一步的變異分析發(fā)現(xiàn)，AFF啟動(dòng)子區(qū)存在416-bp序列缺失的結(jié)構(gòu)變異（SV，structural variant）。對(duì)茄科作物AFF同源基因以及360份番茄種質(zhì)的群體變異數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，AFF基因啟動(dòng)子區(qū)的416-bp缺失序列具有高度的保守性。qRT-PCR和雙熒光素酶試驗(yàn)證實(shí)該416-bp的缺失能夠顯著降低基因的表達(dá)量，說(shuō)明AFF基因啟動(dòng)子區(qū)的416-bp序列對(duì)AFF的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和功能具有重要作用。

 

　　利用全果肉番茄NILs進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析發(fā)現(xiàn)，由于全果肉番茄中AFF的表達(dá)下調(diào)和下游基因的表達(dá)變異，導(dǎo)致了全果肉番茄中的生物堿和酚酸含量顯著降低，從而導(dǎo)致全果肉番茄在口感和風(fēng)味等品質(zhì)方面發(fā)生變化。此外還發(fā)現(xiàn)全果肉番茄心室組織的代謝組模式介于胎座和普通番茄心室組織之間，證實(shí)了番茄心室組織是由胎座組織向外衍生而來(lái)的推斷。

　　該研究明晰了AFF基因及其啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)變異是調(diào)控番茄心室膠狀物形成的關(guān)鍵因子，為闡釋番茄等肉質(zhì)漿果的進(jìn)化和馴化提供了科學(xué)依據(jù)，并為高風(fēng)味品質(zhì)番茄的遺傳改良提供了技術(shù)支撐。

 

　　中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所劉磊副研究員和張亢助理研究員為該論文的共同第一作者，李君明研究員和程鋒研究員為共同通訊作者。研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“蔬菜優(yōu)異種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定與創(chuàng)新利用”、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程的資助。

 

　　愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué)生物、環(huán)境和地球科學(xué)學(xué)院Susanne Schilling教授為本文撰寫(xiě)了評(píng)論文章《Firming up your tomato: A natural promoter variation in a MADS-box gene is causing all-flesh tomatoes》，對(duì)本研究定位的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因AFF在番茄果實(shí)心室組織液化中的調(diào)節(jié)作用，其功能標(biāo)記在全果肉番茄品種創(chuàng)制中的應(yīng)用價(jià)值，以及順式調(diào)控元件的結(jié)構(gòu)變異在分子育種和生物技術(shù)中的巨大潛力等給予了高度評(píng)價(jià)。

 

　　原文鏈接：https://academic.oup.com/jxb/advance-article/doi/10.1093/jxb/erab401/6365738