近日，四川大學張陽教授團隊在Nature Commumications上發(fā)表題為Understanding the mechanism of red light induced melatonin biosynthesis facilitates the engineering of melatonin enriched tomatoes 解析了紅光誘導褪黑素生物合成的機制有助于培育富含褪黑素的番茄。本文酵母文庫構建由南京源寶生物提供。

01、研究背景

褪黑素是一種功能保守的廣譜生理調節(jié)劑，在番茄果實中提高褪黑素的含量不僅能提高番茄的農藝性狀，還有益于人體健康。研究表明補充紅光可以通過SlphyB2-SlPIF4-SlCOMT2通路提高番茄果實中褪黑素的含量。本文通過基因編輯SlPIF4基因，顯著提高了番茄果實中褪黑素的產生。本研究為解析植物對環(huán)境因素響應的代謝途徑和促進健康食品的工程提供了一個很好的實例。

02、研究目的

本研究完全闡明了番茄果實中褪黑素的合成途徑。而且還解析了紅光處理后番茄可以通過SlphyB2-SlPIF4-SlCOMT2通路顯著促進了果實中褪黑素的合成。本研究不僅擴展了環(huán)境因素如何影響植物關鍵代謝物生物合成的認識，還為利用植物調節(jié)機制選育營養(yǎng)增強型的作物提供了一個現實的思路。

03、研究結果

通過對番茄基因組進行BLSAT比對，獲得17個與褪黑素合成相關的候選基因。通過轉錄組分析將候選基因縮小至10個。通過煙草葉片瞬時表達及番茄果實瞬時沉默發(fā)現SlSNAT、SlCOMT2、SlASMT5和SlASMT7參與番茄褪黑激素的生物合成。

SlASMT5、SlASMT7、SlCOMT2和SlSNAT可以正調控番茄中褪黑素的生物合成。利用大腸桿菌重組蛋白進行的體外酶分析發(fā)現番茄果實中褪黑素的生物合成可能有兩種途徑，一種是通過“serotonin(3)—N-acetylserotonin (5)—melatonin (6)”途徑，另一種是通過“serotonin (3)—5-methoxytryptamine (4)—melatonin (6)”途徑。而且，幾個關鍵基因中SlASMT5和SlCOMT2催化MT生物合成N-乙酰-5-羥色胺途徑，而SlASMT7參與5-甲氧基色胺途徑。

在補充紅光的情況下，可以誘導番茄SlASMT7、SlASMT5和SlCOMT2的表達，進而褪黑激素的含量。而且在紅光下N-乙酰-5-羥色胺的含量顯著增加，但5-甲氧基色胺的含量沒有變化。因此，補充紅光可以通過激活SlASMT5和SlCOMT2的表達水平來促進番茄果實褪黑激素的生物合成。

通過分析SlASMT5和SlCOMT2的啟動子區(qū)域發(fā)現一系列光信號相關的G-box元件，通過酵母單雜發(fā)現光敏色素相互作用因子4 （phytochrome-interacting factors 4, SlPIF4）可以結合到SlCOMT2啟動子的第二個G-box元件上，但不能與SlASMT5的啟動子G-box元件結合。而且通過驗證發(fā)現SlPIF4可以通過與SlCOMT2啟動子互作抑制SlCOMT2的表達進而負調控褪黑素的合成。

光敏色素B2 (phytochrome B2, phyB2)在番茄果實不同發(fā)育階段的表達與褪黑激素的表達高度一致，通過熒光素酶實驗發(fā)現SlphyB2可以通過26S蛋白酶體途徑促進SlPIF4的降解。因此，SlPIF4通過直接抑制SlCOMT2表達負向調節(jié)番茄果實中褪黑激素的生物合成。在紅光補充下，SlphyB2的激活通過26s蛋白酶體途徑促進SlPIF4的降解。

通過直接敲除SlPIF4或突變SlCOMT2啟動子上的SlPIF4識別位點都顯著增強了番茄果實中褪黑激素的含量。

總結：

本研究全面闡明了番茄中褪黑素的生物合成途徑，并且發(fā)現在番茄中共存不同的褪黑素生物合成途徑。同時研究還揭示了紅光誘導褪黑激素生物合成的機制，并通過基因編輯成功培育出富含褪黑激素的番茄品種。該研究可以不僅使人們了解植物受環(huán)境因素調節(jié)關鍵代謝過程，還可以利用該機制創(chuàng)制營養(yǎng)成分含量豐富的作物。