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公司新闻/正文
Nature Plants | 番茄苦不苦谁说了算
561 人阅读发布时间：2021-07-27 14:42
编者按
甾体生物碱及其糖基化形式（Steroidal alkaloids and their glycosylated forms，SGAs）是茄科植物中产生的一类特殊化代谢产物，对植物病原体和食草动物具有防御作用。
迄今为止，在番茄中已经检测到近100种甾体生物碱，其中α-番茄碱是叶片、花蕾和绿色果实组织中的主要SGA。
食物中高浓度的α-番茄红素在食用时会引起苦味和喉咙灼热感。同时在番茄中，由于GAME1(一种进行番茄红素半乳糖基化的UDP-糖基转移酶)的沉默，番茄红素的水平增加，会导致毒性表型，如生长迟缓、茎栓化以及叶和果实形态畸变等。
因此在果实驯化和育种过程中，选择苦味较低、口感较好、毒性较低、SGAs含量较低的番茄果实具有重要意义。
2021年3月来自以色列魏兹曼科学研究所的研究人员在Nature Plants 发表了题为The GORKY glycoalkaloid transporter is indispensable for preventing tomato bitterness的研究论文。
在这项研究中，作者破译了成熟番茄果实保持低α-番茄红素水平保持不苦涩的分子机制。发现GORKY (俄语中“苦”的意思)是NPF转运蛋白的一员，其对于防止成熟番茄果实中的高α-番茄红素水平至关重要。在成熟过程中，GORKY负责将α-番茄碱和其他甾体生物碱从液泡转移到胞质结构域。这有助于整个α-番茄红素库代谢转化为非苦味形式，从而使水果更加可口。
【技术方法】植物非靶代谢组学、靶向代谢组学、遗传作图等方法
【主要结果】
一、NPF转运蛋白映射到与水果苦味相关的基因组区域
首先，作者筛选到一个在成熟果实中具有强苦味的番茄野生近缘品系 (EA03058)，为了研究代谢物组成的变化和EA03058苦味的相关性，他们使用代谢组学分析方法描述了水果提取物在不同发育阶段的代谢物，通过主成分分析PCA描述了EA03058和非苦味样品之间的主要差异，发现在果实成熟发育的破色期 （breaker stage） 和红熟期 （red stage） 有比较打的差异 (图1b)。
作者提出SGAs组成的变化可能是导致水果味道变化的原因。EA03058品系红熟期的果实中含有高水平的α-番茄碱，同时成熟果实中七叶皂苷A含量显著降低，这与非苦味果实样品之间存在着巨大差异 (图1c)。
图1. 番茄果实发育和成熟过程中SGA成分的“代谢转变”
为了定位高α-番茄红素的苦味基因位点，研究人员将EA03058与野生种Solanum pimpinellifolium和Heinz1706 (作为参考基因组) 杂交， 产生了两个番茄定位群体 (图2a)。
为了进一步缩小该区域的基因数量，后使用SNP进行补充，并通过精细定位将苦味基因位点减少到56个候选基因(图2b)。同时利用150个品系的重测序的比较分析发现了20个SNP和一个612bp的缺失，这些SNP没有出现在Heinz1706和其他重新测序的材料中。612bp的缺失位于NPF转运蛋白同源基因的最后一个外显子。作者将这个基因命名为GORKY (图2c)。
另外9个含有GORKY缺失的材料 (包括EA03058) 的SGA检测结果显示，与WT成熟果实相比，α-番茄碱、羟基番茄碱、乙酰氧番茄碱和其他SGA途径中间体的水平显著更高，而七叶皂苷A的水平显著降低，表明GORKY可能参与了α-番茄红素向七叶皂苷甲的转化。后者在果实成熟后积累在红色果实中。这与GORKY在成熟果实中的表达水平最高，在叶和花组织中的表达水平较低(图2d)一致。
图2. 通过绘制“苦味”特征来发现GORKY候选基因
二、番茄中GORKY的功能特性
为了探究GORKY的功能特性，研究人员构建了GORKY功能缺失植株，再对SGA进行检测分析(图3b)，进一步证实了GORKY能够降低红色成熟果实中的苦味。
三个GORKY功能缺失系的红色成熟果实提取物的SGA在很大程度上类似于含有GORKY基因缺失的原始“苦味”品系(图3c-e)。在检测的所有三个突变等位基因的成熟果实中，α-番茄碱和脱氢番茄碱以及其他SGA途径中间体(例如乙酰氧番茄碱、羟基番茄碱和乙酰氧羟基番茄碱)的水平大量增加，而七叶皂苷A的水平显著降低(图3d、e)。
图3. GORKY活性的改变导致α-番茄红素在成熟果实中的过度积累
为进一步探究GORKY的功能特性，作者又构建了GORKY高表达植物GORKY-Ox并分析了三个独立转化系中的SGAs水平，显示与WT叶相比表达增加了>200倍(图4a)。
有趣的是，通常在绿色组织中检测不到的“成熟”SGA七叶皂苷A在GORKY-Ox叶片中积累(图4b)。此外，GORKY-Ox系也会影响植物的生长和发育，因为它们也表现出矮化和器官形态上的一些改变(图4c)。
另外，作者也研究了GORKY功能性拷贝的过表达是否会恢复前人描述的“苦味”野生番茄品种EA07290的SGA图谱(图4d)。与EA07290本身相比，红色成熟果实的SGA检测结果显示出明显更高水平的七叶皂苷A (图4e)。在这些过表达系的果实中，α-番茄碱和脱氢番茄碱的水平显著较低，这表明表达GORKY的功能性拷贝能够缓解“苦”的红色成熟果实化学表型(图4f，g)。
图4. GORKY过表达导致SGA途径中间体的过度积累
甾体生物碱及其糖基化形式（Steroidal alkaloids and their glycosylated forms，SGAs）是茄科植物中产生的一类特殊化代谢产物，对植物病原体和食草动物具有防御作用。
迄今为止，在番茄中已经检测到近100种甾体生物碱，其中α-番茄碱是叶片、花蕾和绿色果实组织中的主要SGA。
食物中高浓度的α-番茄红素在食用时会引起苦味和喉咙灼热感。同时在番茄中，由于GAME1(一种进行番茄红素半乳糖基化的UDP-糖基转移酶)的沉默，番茄红素的水平增加，会导致毒性表型，如生长迟缓、茎栓化以及叶和果实形态畸变等。
因此在果实驯化和育种过程中，选择苦味较低、口感较好、毒性较低、SGAs含量较低的番茄果实具有重要意义。
在这项研究中，作者破译了成熟番茄果实保持低α-番茄红素水平保持不苦涩的分子机制。发现GORKY (俄语中“苦”的意思)是NPF转运蛋白的一员，其对于防止成熟番茄果实中的高α-番茄红素水平至关重要。在成熟过程中，GORKY负责将α-番茄碱和其他甾体生物碱从液泡转移到胞质结构域。这有助于整个α-番茄红素库代谢转化为非苦味形式，从而使水果更加可口。
【技术方法】植物非靶代谢组学、靶向代谢组学、遗传作图等方法
【主要结果】
一、NPF转运蛋白映射到与水果苦味相关的基因组区域
首先，作者筛选到一个在成熟果实中具有强苦味的番茄野生近缘品系 (EA03058)，为了研究代谢物组成的变化和EA03058苦味的相关性，他们使用代谢组学分析方法描述了水果提取物在不同发育阶段的代谢物，通过主成分分析PCA描述了EA03058和非苦味样品之间的主要差异，发现在果实成熟发育的破色期 （breaker stage） 和红熟期 （red stage） 有比较打的差异 (图1b)。
作者提出SGAs组成的变化可能是导致水果味道变化的原因。EA03058品系红熟期的果实中含有高水平的α-番茄碱，同时成熟果实中七叶皂苷A含量显著降低，这与非苦味果实样品之间存在着巨大差异 (图1c)。
图1. 番茄果实发育和成熟过程中SGA成分的“代谢转变”
为了定位高α-番茄红素的苦味基因位点，研究人员将EA03058与野生种Solanum pimpinellifolium和Heinz1706 (作为参考基因组) 杂交， 产生了两个番茄定位群体 (图2a)。
为了进一步缩小该区域的基因数量，后使用SNP进行补充，并通过精细定位将苦味基因位点减少到56个候选基因(图2b)。同时利用150个品系的重测序的比较分析发现了20个SNP和一个612bp的缺失，这些SNP没有出现在Heinz1706和其他重新测序的材料中。612bp的缺失位于NPF转运蛋白同源基因的最后一个外显子。作者将这个基因命名为GORKY (图2c)。
另外9个含有GORKY缺失的材料 (包括EA03058) 的SGA检测结果显示，与WT成熟果实相比，α-番茄碱、羟基番茄碱、乙酰氧番茄碱和其他SGA途径中间体的水平显著更高，而七叶皂苷A的水平显著降低，表明GORKY可能参与了α-番茄红素向七叶皂苷甲的转化。后者在果实成熟后积累在红色果实中。这与GORKY在成熟果实中的表达水平最高，在叶和花组织中的表达水平较低(图2d)一致。
图2. 通过绘制“苦味”特征来发现GORKY候选基因
二、番茄中GORKY的功能特性
为了探究GORKY的功能特性，研究人员构建了GORKY功能缺失植株，再对SGA进行检测分析(图3b)，进一步证实了GORKY能够降低红色成熟果实中的苦味。
三个GORKY功能缺失系的红色成熟果实提取物的SGA在很大程度上类似于含有GORKY基因缺失的原始“苦味”品系(图3c-e)。在检测的所有三个突变等位基因的成熟果实中，α-番茄碱和脱氢番茄碱以及其他SGA途径中间体(例如乙酰氧番茄碱、羟基番茄碱和乙酰氧羟基番茄碱)的水平大量增加，而七叶皂苷A的水平显著降低(图3d、e)。
图3. GORKY活性的改变导致α-番茄红素在成熟果实中的过度积累
为进一步探究GORKY的功能特性，作者又构建了GORKY高表达植物GORKY-Ox并分析了三个独立转化系中的SGAs水平，显示与WT叶相比表达增加了>200倍(图4a)。
有趣的是，通常在绿色组织中检测不到的“成熟”SGA七叶皂苷A在GORKY-Ox叶片中积累(图4b)。此外，GORKY-Ox系也会影响植物的生长和发育，因为它们也表现出矮化和器官形态上的一些改变(图4c)。
另外，作者也研究了GORKY功能性拷贝的过表达是否会恢复前人描述的“苦味”野生番茄品种EA07290的SGA图谱(图4d)。与EA07290本身相比，红色成熟果实的SGA检测结果显示出明显更高水平的七叶皂苷A (图4e)。在这些过表达系的果实中，α-番茄碱和脱氢番茄碱的水平显著较低，这表明表达GORKY的功能性拷贝能够缓解“苦”的红色成熟果实化学表型(图4f，g)。
图4. GORKY过表达导致SGA途径中间体的过度积累