蔬菜花卉所研究揭示番茄心室组织液化调控基因的剂量效应

       中国农业科学院蔬菜花卉研究所茄科研究室番茄遗传育种团队和生物技术研究室生物信息团队合作，成功揭示了启动子区的结构变异影响花发育模型D类基因AFF的剂量效应，导致番茄不形成凝胶状（jelly-like）的心室组织，并证实了番茄心室组织是由胎座组织向外衍生而来的推断。相关研究成果于近日在线发表在国际知名学术期刊Journal of Experimental Botany（IF5-year 7.860）上，题目为“All-Flesh Tomato Regulated by Reduced Expression Dosage of AFF Through a Promoter SV Mutation”。

       心室胶状物（locule gel）的形成是番茄等肉质浆果的典型特征和风味的重要组成。心室胶状物是番茄果实除果皮外的第二大丰富组织，约占果实鲜重的23%, 是番茄汁液的主要组成部分，富含糖、有机酸、维生素及挥发性风味物质。因此，心室胶状物的形成对果实的发育和风味具有重要作用。
       作为研究果实发育的模式植物，特别是随着番茄基因组测序的完成，番茄的进化历程、果重、产量、风味与代谢的调控及果实发育和成熟的时空调控等分子机制已被揭示，但心室胶状物的形成及其调控机制仍不十分清楚。随着现代生活对番茄风味越来越多的关注，深入理解心室胶状物形成和发育的调控机制，及明确其对果实风味品质的影响愈发重要。
       该研究以在生产中发现的全果肉番茄（all-flesh fruit, AFF）为材料。全果肉番茄的心室组织在果实发育和成熟过程中一直保持固态结构，不形成凝胶状的心室胶状物，但能够正常发育和成熟，并产生正常的种子，是研究心室组织分化和胶状物形成的调控机制，以及心室胶状物的形成对果实风味影响的理想材料。
       该研究首先通过遗传分析和精细定位克隆了AFF基因，并用转基因试验证实了AFF基因调控心室胶状物形成的功能。利用构建的全果肉番茄近等基因系（NILs）进行转录组学分析，发现调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基因弥补。进一步的变异分析发现，AFF启动子区存在416-bp序列缺失的结构变异（SV，structural variant）。对茄科作物AFF同源基因以及360份番茄种质的群体变异数据分析发现，AFF基因启动子区的416-bp缺失序列具有高度的保守性。qRT-PCR和双荧光素酶试验证实该416-bp的缺失能够显著降低基因的表达量，说明AFF基因启动子区的416-bp序列对AFF的转录调控和功能具有重要作用。
       利用全果肉番茄NILs进行转录组和代谢组分析发现，由于全果肉番茄中AFF的表达下调和下游基因的表达变异，导致了全果肉番茄中的生物碱和酚酸含量显著降低，从而导致全果肉番茄在口感和风味等品质方面发生变化。此外还发现全果肉番茄心室组织的代谢组模式介于胎座和普通番茄心室组织之间，证实了番茄心室组织是由胎座组织向外衍生而来的推断。

       该研究明晰了AFF基因及其启动子的结构变异是调控番茄心室胶状物形成的关键因子，为阐释番茄等肉质浆果的进化和驯化提供了科学依据，并为高风味品质番茄的遗传改良提供了技术支撑。
       中国农业科学院蔬菜花卉研究所刘磊副研究员和张亢助理研究员为该论文的共同第一作者，李君明研究员和程锋研究员为共同通讯作者。研究获得国家重点研发计划项目“蔬菜优异种质资源精准鉴定与创新利用”、中国农业科学院基本科研业务费和中国农业科学院创新工程的资助。
       爱尔兰都柏林大学生物、环境和地球科学学院Susanne Schilling教授为本文撰写了评论文章《Firming up your tomato: A natural promoter variation in a MADS-box gene is causing all-flesh tomatoes》，对本研究定位的MADS-box转录因子基因AFF在番茄果实心室组织液化中的调节作用，其功能标记在全果肉番茄品种创制中的应用价值，以及顺式调控元件的结构变异在分子育种和生物技术中的巨大潜力等给予了高度评价。

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