近日，四川大学张阳课题组在《Nature Communications》上发表了题为"Understanding the mechanism of red light-induced melatonin biosynthesis facilitates the engineering of melatonin-enriched tomatoes"的研究论文。提出了通过解析环境因子影响关键代谢物合成的调控机制，实现营养品质设计育种的新思路。
植物的代谢产物除了对植物的生长、发育和抗逆等生理活动有重要功能外，也是人类社会重要的膳食营养来源、药用成分来源以及工业原料来源。研究重要植物代谢产物的合成途径和调控机制具有重要的科学意义和经济价值。四川大学生命科学学院张阳团队长期围绕植物代谢产物是如何合成以及如何调控这两个关键科学问题开展系统研究。在合成途径解析方面，首次发现了不依赖于糖基化底物的SCPL乙酰基转移酶（Fu et al., 2021 Nature Communications; Fu et al., 2022 Plant Journal）、证实了番茄的多酚氧化酶PPO-F具有黄酮合酶（FNS-like）活性（Wei et al., 2022, Food Chemistry）；在代谢途径调控方面，系统揭示了转录因子通过调控代谢流影响关键代谢途径合成效率的分子机制（Li et al., 2020, Molecular Plant; Ying et al, 2020, Plant Biotechnology Journal）；在此基础上，结合代谢途径构建和代谢流引导开展了营养品质设计育种研究（Yuan et al.，2022,New Phytologist; Ren et al., 2022 aBIOTECH; Wu et al., 2022, Synthetic and Systems Biotechnology；Shu et al., 2023 New Phytologist）。
由于不能移动，植物进化出了复杂的响应机制来适应不断的变化环境。这其中，关键代谢物的改变是一个重要方面。同一种植物在不同的环境下可以表现出完全不同的代谢水平，从而显著改变营养品质或者药用价值。反过来，如果能解析关键代谢品质在特定环境下的代谢调控机制，就可以为栽培技术提升、设施改良和新种质创制提供新的方向。
基于以上思路，四川大学张阳团队选择在番茄中解析关键代谢物褪黑素的合成途径和环境调控机制，创制褪黑素营养强化的番茄新种质。褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺，Melatonin）是自然界中存在于绝大多数生物有机体中的一种功能保守的广谱生理调节剂，对动植物生命进程均有重要的生理学意义。在植物中，褪黑素主要作为生长促进剂和抗氧化剂行使功能，具有延缓衰老、增强光合作用、调节光周期、影响种子萌发和根形态建成等生物活性，能有效提升植物对逆境的抵抗能力，有利于植物生存繁衍。
已有研究表明，褪黑素的含量在番茄果实的不同发育阶段变化显著，并参与番茄果实生长发育和品质形成。然而，番茄果实褪黑素合成途径尚不明晰。本研究基于团队前期开发的番茄全生育期代谢网络数据集（MMN）（Li et al. 2020），筛选并鉴定了褪黑素合成途径中的关键结构基因。通过共表达分析和瞬时转化证明番茄色氨酸脱羧酶 1/2（SlTDC1/2）和色氨酸 5-羟化酶（SlT5H）是催化色氨酸生成血清素（Serotonin）的关键合成酶。N-乙酰化血清素 O-甲基转移酶 5/7（SlASMT5/7）、咖啡酸 O-甲基转移酶 2（SlCOMT2）和血清素-N-乙酰化转移酶（SlSNAT）是催化血清素最终生成褪黑素的关键合成酶（图1），并初步证明其所在合成的支路。进一步的，对直接催化合成褪黑素的四个关键基因进行番茄稳定遗传转化发现，过表达转基因株系中褪黑素含量会显著增加，干扰株系中褪黑素含量显著降低。通过原核蛋白表达系统检测蛋白酶活、表达分析及产物检测发现SlASMT7在血清素-5-甲氧基色胺合成支路上催化生成褪黑素；SlCOMT2、SlASMT5主要参与由N-乙酰血清素催化生成褪黑素的合成支路。
图 1. 番茄果实褪黑素合成途径的解析
本研究进一步发现在正常光照基础上额外补充一定程度的红光能显著增加褪黑素含量的积累，且果实表现出破色提前、衰老延缓、生物量增加等一些优良性状。而SlASMT5 和 SlCOMT2 是响应红光信号的关键合成基因，红光通过激活 SlASMT5 和 SlCOMT2 的表达进而催化N-乙酰血清素生成褪黑素。
图2. 红光促进番茄果实褪黑素合成
为进一步探究红光调控番茄果实褪黑素生物合成的分子机制，选取SlCOMT2 和 SlASMT5 启动子上游 2000 bp 序列为诱饵蛋白进行酵母单杂筛库，光信号元件SlPIF4可以与之互作。通过一系列体内体外实验证明SlPIF4能够与SlCOMT2启动子序列上的第二个G-box结构域直接结合，抑制SlCOMT2的转录，进而调控褪黑素合成。而番茄果实红光信号的转导是通过SlphyB2实现的，在正常光下，红光受体 SlphyB2 未被激活，SlPIF4转录因子直接集合褪黑素合成基因 SlCOMT2 启动子区域的G-Box并抑制其表达，进而抑制番茄果实褪黑素积累；在红光补充下，SlphyB2被激活，促进SlPIF4发生26S蛋白酶体介导的泛素化降解，同时抑制 SlPIF4 的转录自激活，进而解除 SlPIF4 对 SlCOMT2 的转录抑制效应，最终促进番茄果实的褪黑素生物合成。
图3. 红光诱导番茄果实褪黑素合成的分子机制示意图
在完整解析番茄果实褪黑素合成途径和红光响应机制的基础上，研究人员利用CRISPR-Ca9技术创制了高含量褪黑素的番茄新种质。针对 SlPIF4 结合 SlCOMT2 启动子的位点进行基因编辑，可以比直接敲除SlPIF4在正常光照下将褪黑素含量提升更多的倍数，并且只在原本表达褪黑素的时空加强表达量。这表明基于环境因子调控代谢途径的机制进行设计育种，可以显著提升农作物的营养品质。本工作为基于环境因子调控代谢途径机制创制优质农作物新种质提供了思路。
图4. 高含量褪黑素番茄的新种质创制
四川大学生命科学学院特聘副研究员张子昕博士为本研究第一作者，张阳教授为通讯作者。海南大学王守创教授、中国农业科学院都市农业研究所杨晓博士以及四川大学刘明春教授参与了该课题。本项目得到了国家重点研发计划等相关项目的支持。
原文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41307-5
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