北京大学现代农业研究院与合作单位共同解析辣椒果实类胡萝卜素生物合成调控机制

2023-05-04

成熟果实色泽决定果实外观和营养品质，影响消费者偏好。根据果实成熟期间呼吸及乙烯释放高峰的有无，果实一般可以分为呼吸跃变型果实(climacteric fruit，如番茄、苹果、和香蕉等)和非呼吸跃变型果实(non-climacteric fruit，如辣椒、葡萄、草莓和柑橘)。基于乙烯受体和信号转导的分子机制，呼吸跃变型果实番茄成熟过程中类胡萝卜素生物合成调控的分子机理已研究非常清楚。脱落酸（ABA）被认为是启动非呼吸跃变型果实成熟的关键激素，而其在类果实成熟过程中介导类胡萝卜素生物合成调控的分子机制却仍然不明确。

辣椒（Capsicum）是我国重要的蔬菜和调料作物，是典型的非呼吸跃变型果实。辣椒红素是辣椒成熟果实特异高度积累的一种类胡萝卜素，赋予成熟果实红色，决定果实外观和营养品质。同时，辣椒红素作为脂溶性天然色素，由于具有优异的抗氧化等生物活性和极高色价（色价E值即460 nm处的吸光值）的特点，被作为重要的工业原料广泛应用于食品、医药、化妆品（高端口红、美妆）及饲料添加剂等领域。在食品添加剂领域，辣椒红素凭借色价高、着色力强、保色效果好和安全性高等优点被联合国粮食及农业组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）列为A类色素（即在使用中可以不限量添加）。目前，全球辣椒红素市场规模达数十亿元，且以每年15%复合增长率增加。辣椒红素提取上游主要为辣椒原材料和生产检验设备，其中辣椒原材料质量直接影响辣椒红素提取行业发展，上游成本的结构中辣椒原材料成本占比超过90%，选育高产、多抗、高辣椒红素的辣椒品种是加工提取的关键。因此，研究辣椒红素生物合成的分子遗传机制，为创制高辣椒红素辣椒新种质奠定基础。

辣椒红素主要在辣椒果实转色期至成熟期合成，其合成基因PSY（八氢番茄红素合成酶），PDS（八氢番茄红素脱氢酶），β-CH（β-胡萝卜素羟化酶）和CCS（辣椒红素-辣椒玉红素合成酶）在转录水平层面控制辣椒红素含量，但是其合成的转录调控机制尚不清楚。

近日，来自北京大学现代农业研究院联合华南农业大学园艺学院等单位的研究人员合作在The Plant Journal在线发表了题为An R-R-type MYB transcription factor promotes nonclimacteric pepper fruit carotenoid pigment biosynthesis的研究论文，解析了辣椒红素生物合成的转录调控机制。

本研究通过对辣椒不同发育阶段果实的转录组数据构建加权基因共表达网络（WGCNA），鉴定到辣椒红素合成模块（MEdarkgreen）。在该模块中，包含编码辣椒红素合成酶（capsanthin-capsorubin synthase，CCS）基因及一个功能未知且和CCS表达高度相关的R-R型MYB转录因子DIVARICATA1（图1）。功能表征发现，DIVARICATA1编码一个核定位的转录激活因子，沉默DIVARICATA1显著降低了辣椒红素合成相关基因PSY，PDS，β-CH1和CCS的转录，对应的辣椒红素含量也显著降低。进一步实验证明了DIVARICATA1直接结合并调控辣椒红素合成基因CCS的表达。通过分析辣椒红素含量不同的辣椒种质资源发现，DIVARICATA1转录水平和辣椒红素含量显著正相关。

图1. 辣椒红素合成通路和基因表达。（a）辣椒红素合成通路；（b）DIVARICATA1和辣椒红素合成基因表达。

为了进一步探索ABA在辣椒果实成熟过程中的作用，采用ABA处理绿熟期辣椒果实可以显著促进DIVARICATA1和辣椒红素合成基因（CBG）表达，对应的辣椒红素的含量也显著上升。沉默DIVARICATA1显著降低了ABA介导的辣椒红素合成基因（CBG）表达和辣椒红素的积累，表明在ABA介导非呼吸跃变型辣椒果实成熟过程中，类胡萝卜素合成依赖于DIVARICATA1。

辣椒基因组测序表明，辣椒红素合成通路基因在茄科植物辣椒、番茄、茄子、马铃薯、烟草等植物中都存在，比较转录组学发现其关键基因特异在辣椒果实中转录是辣椒积累辣椒红素的原因。为了进一步明确辣椒红素生物合成的转录调控进化机制，本研究分析了辣椒、番茄、茄子、马铃薯等茄科所有已明确参与果实成熟和类胡萝卜素生物合成的转录因子和合成基因。结果表明，类胡萝卜素上游合成基因PSY、PDS和成熟核心调控基因MADS-RIN转录模式在茄科果实成熟过程中相对保守。然而，类胡萝卜素下游合成基因β-CH、CCS和DIVARICATA1特异在辣椒果实中获得高水平转录，表明它们功能茄科中出现了差异进化。进一步分析表明，辣椒中DIVARICATA1可以被MADS-RIN调控，表明MADS-RIN-DIVARICATA1模块参与辣椒果实成熟过程中类胡萝卜素的生物合成（图2）。

综上，该研究首次鉴定到了辣椒红素生物合成的关键调控基因，明确了ABA信号介导非呼吸跃变型辣椒果实类胡萝卜素生物合成的机制，并且发现了辣椒红素在茄科的生物合成差异调控的进化机制，为辣椒色泽遗传改良奠定了基础。

图2. 辣椒和番茄果实类胡萝卜素生物合成差异进化.（a）辣椒和番茄类胡萝卜素合成和调控基因转录模式；（b）MADS-RIN-DIVARICATA1模块调控辣椒红素合成机制

北京大学现代农业研究院访问学者、华南农业大学副教授朱张生，与北京大学现代农业研究院研究员何航、华南农业大学雷建军教授为该论文通讯作者，华南农业大学博士后宋佳丽和孙彬妹副教授为该论文的第一作者。华南农业大学陈长明教授、陈国菊教授、曹必好教授等人，北京大学现代农业研究院李博生研究员、卞建新副研究员，阿卜杜拉国王科技大学博士后郑雄杰，西南大学金丹副研究员也参与了该研究。研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市基础与应用基础研究基金、广东省农业厅和华南农业大学提质增效项目的资助。

参考文献：

Kim, S., Park, M., Yeom, S.-I., et al. (2014). Genome sequence of the hot pepper provides insights into the evolution of pungency in Capsicum species. Nature Genetics 46:270-276.

Liao, Y., Wang, J., Zhu, Z. et al. (2022). The 3D architecture of the pepper genome and its relationship to function and evolution. Nat Commun 13, 3479.

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16257

科研进展

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