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蔬菜花卉所研究揭示番茄心室組織液化調控基因的劑量效應

       中國農業科學院蔬菜花卉研究所茄科研究室番茄遺傳育種團隊和生物技術研究室生物信息團隊合作,成功揭示了啟動子區的結構變異影響花發育模型D類基因AFF的劑量效應,導致番茄不形成凝膠狀(jelly-like)的心室組織,并證實了番茄心室組織是由胎座組織向外衍生而來的推斷。相關研究成果于近日在線發表在國際知名學術期刊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漿果的典型特征和風味的重要組成。心室膠狀物是番茄果實除果皮外的第二大豐富組織,約占果實鮮重的23%, 是番茄汁液的主要組成部分,富含糖、有機酸、維生素及揮發性風味物質。因此,心室膠狀物的形成對果實的發育和風味具有重要作用。
       作為研究果實發育的模式植物,特別是隨著番茄基因組測序的完成,番茄的進化歷程、果重、產量、風味與代謝的調控及果實發育和成熟的時空調控等分子機制已被揭示,但心室膠狀物的形成及其調控機制仍不十分清楚。隨著現代生活對番茄風味越來越多的關注,深入理解心室膠狀物形成和發育的調控機制,及明確其對果實風味品質的影響愈發重要。
       該研究以在生產中發現的全果肉番茄(all-flesh fruit, AFF)為材料。全果肉番茄的心室組織在果實發育和成熟過程中一直保持固態結構,不形成凝膠狀的心室膠狀物,但能夠正常發育和成熟,并產生正常的種子,是研究心室組織分化和膠狀物形成的調控機制,以及心室膠狀物的形成對果實風味影響的理想材料。
       該研究首先通過遺傳分析和精細定位克隆了AFF基因,并用轉基因試驗證實了AFF基因調控心室膠狀物形成的功能。利用構建的全果肉番茄近等基因系(NILs)進行轉錄組學分析,發現調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。進一步的變異分析發現,AFF啟動子區存在416-bp序列缺失的結構變異(SV,structural variant)。對茄科作物AFF同源基因以及360份番茄種質的群體變異數據分析發現,AFF基因啟動子區的416-bp缺失序列具有高度的保守性。qRT-PCR和雙熒光素酶試驗證實該416-bp的缺失能夠顯著降低基因的表達量,說明AFF基因啟動子區的416-bp序列對AFF的轉錄調控和功能具有重要作用。
       利用全果肉番茄NILs進行轉錄組和代謝組分析發現,由于全果肉番茄中AFF的表達下調和下游基因的表達變異,導致了全果肉番茄中的生物堿和酚酸含量顯著降低,從而導致全果肉番茄在口感和風味等品質方面發生變化。此外還發現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,證實了番茄心室組織是由胎座組織向外衍生而來的推斷。

 


       該研究明晰了AFF基因及其啟動子的結構變異是調控番茄心室膠狀物形成的關鍵因子,為闡釋番茄等肉質漿果的進化和馴化提供了科學依據,并為高風味品質番茄的遺傳改良提供了技術支撐。
       中國農業科學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。研究獲得國家重點研發計劃項目“蔬菜優異種質資源精準鑒定與創新利用”、中國農業科學院基本科研業務費和中國農業科學院創新工程的資助。
       愛爾蘭都柏林大學生物、環境和地球科學學院Susanne Schilling教授為本文撰寫了評論文章《Firming up your tomato: A natural promoter variation in a MADS-box gene is causing all-flesh tomatoes》,對本研究定位的MADS-box轉錄因子基因AFF在番茄果實心室組織液化中的調節作用,其功能標記在全果肉番茄品種創制中的應用價值,以及順式調控元件的結構變異在分子育種和生物技術中的巨大潛力等給予了高度評價。

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

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