《遗传所揭示番茄无花青素的机理》

  • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
  • 编译者: 陈方
  • 发布时间:2020-04-08
  • 花青素是一种天然色素,可使许多植物器官呈现红色、紫色、蓝色等颜色,并且在植物的多种生物过程中起着至关重要的作用,能提供针对生物和非生物胁迫的保护作用。此外,越来越多的证据表明花青素具有高抗氧化活性,饮食中食用花青素可降低罹患心血管疾病、衰老相关疾病以及某些癌症的风险。番茄在世界范围内都是一种极受欢迎的蔬菜,但大多数栽培的番茄果实中基本不含花青素。
    2019年11月1日,中国科学院遗传发育研究所李传友研究组与北京农林科学院合作发表在Molecular Plant上的论文以番茄作为研究材料,揭示了番茄响应光信号积累花青素的分子机制并通过遗传操作创制出果肉富含花青素的紫色番茄。研究确定了控制InR中花青素积累的基因Aft和Atv,Aft编码R2R3-MYB蛋白SlAN2-like并正调控花青素的生物合成,Atv编码R3-MYB蛋白SlMYBATV,负调节花青素的生物合成。在InR的曝光果皮中,光通过SlHY5激活了SlAN2-like表达,SlHY5是光信号通路的关键组成。反过来,SlAN2-like又触发SlMYBATV和SlAN1的表达正调控花青素的生物合成。S1MYBATV与SlAN2-like竞争结合S1AN1,从而负调节花青素的生物合成。因此,S1AN2-like作为花青素生物合成的主调节剂,在将光信号传输到假定的MBW复合物中起着关键的作用。这些结果暗示设计类似主调节剂SlAN2的混合物可以以不依赖光的方式增强花青素的色素沉着。本研究发现了番茄果实中花青素生物合成的转录调控复合物,为工程化高水平的花青素和其他代谢物提供了极好的靶标。利用果实特异启动子过表达SlAN2-like,获得了果皮和果肉中均有丰富花青素积累的紫色番茄。该研究成果不仅加深了我们对花青素合成机制的理解,而且对作物花青素性状的改良提供了新的思路与技术途径。

相关报告
  • 《农科院蔬菜所揭示番茄紫色果实形成的分子机理》

    • 来源专题:转基因动植物新品种培育
    • 编译者:Zhao
    • 发布时间:2017-12-07
    • 近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所与华南农业大学开展合作研究,揭示了番茄紫色果实形成的分子遗传基础以及果实表皮中花青素生物合成的分子调控网络,为番茄高品质分子设计育种奠定了基础。 花青素是目前所发现的清除人体内自由基最有效的天然抗氧化剂,具有抗衰老、抗辐射、抗过敏、增进视力、改善睡眠、预防癌症、预防心脑血管疾病等功效。花青素广泛存在于植物中。普通栽培番茄植株一般含有一定数量的花青素,然而果实通常不产生花青素。但是某些野生种番茄含有Aft、Abg或atv等遗传位点,其果实与紫色茄子相似,因表皮能产生花青素而呈紫色。国外育种者通过传统育种手段将上述遗传位点转育到普通栽培番茄中,已经培育出高花青素的紫果番茄品种。然而,这些遗传位点具体的分子遗传机制尚不清楚。 蔬菜所科研团队从美国引进的高花青素紫果番茄品种Indigo Rose为试验材料,利用分子遗传学研究手段,将atv位点精细定位到番茄7号染色体上约5.0 kb的区间内。该区间中只有一个基因,编码R3 MYB转录抑制因子,故将该基因命名为SlMYBATV。在含有atv位点番茄材料中,SlMYBATV基因编码区存在一个4 bp的插入,该插入导致基因移码突变和蛋白翻译提前终止。SlMYBATV突变蛋白丧失了对花青素生物合成的抑制作用,导致果皮中花青素大量合成和积累,从而果实呈现紫色。通过番茄全基因组分析,本研究还发现了一些可能参与阻遏花青素生物合成的MYB抑制因子,包括2个R3 MYB和4个R2R3 MYB抑制因子。基因转录水平分析表明,在番茄SlMYBATV突变体的果实表皮中,由于SlMYBATV突变蛋白失去了抑制功能,花色素苷生物合成途径中的大多数结构基因和部分调控基因上调表达。基于上述结果,本研究提出了一个番茄果实表皮中花青素生物合成的基因调控网络模型。 本研究得到中国农科院科技创新工程、国家大宗蔬菜产业技术体系和广州科技计划重点项目的资助。中国农科院蔬菜所硕士研究生曹雪、华南农业大学邱正坤博士为论文共同第一作者,蔬菜所黄泽军副研究员为通讯作者。
  • 《遗传发育所等通过多重基因编辑实现番茄果色的快速定制》

    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2022-10-31
    •   水果和蔬菜的颜色是园艺作物重要的外观品质。五彩缤纷的颜色不仅给人以美的视觉享受,而且影响消费的购买欲望。以全球产量最高的蔬菜作物番茄为例,我国南方的消费者喜欢红果番茄,而北方的消费者则更钟情于粉果番茄。深入研究果蔬颜色形成的分子调控机制,并在此基础上利用新兴生物技术实现果蔬颜色的快速定制,具有重要的科学意义和应用前景。   中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李传友团队长期致力于番茄功能基因组学,在番茄果色调控机理与分子设计育种方面取得了一系列进展。研究团队揭示了栽培番茄不含花青素的机理,创制出果肉中富含花青素的营养保健紫番茄(Sun et al., 2020, Molecular Plant);合作分离了番茄橙色果决定基因(Zhou et al., 2022, Horticulture Research);提出了利用基因编辑技术从优良红果番茄杂交种定向快速创制粉果番茄杂交种的方法(Deng et al., 2018, Journal of Genetics and Genomics; Yang et al., 2019, Journal of Genetics and Genomics)。   近日,该团队等以Recoloring tomato fruit by CRISPR/Cas9-mediated multiplex gene editing为题在Horticulture Research上发表研究,提出了一种利用多重基因编辑技术以红果番茄材料为底盘材料,快速定向创制七种不同果色番茄材料的策略。   番茄果实的颜色主要由类胡萝卜素、类黄酮和叶绿素等色素决定。随着果实的成熟,红果材料的果肉中积累类胡萝卜素(主要为番茄红素),而果皮中则积累类黄酮(主要为柚皮素查尔酮),与之相伴随的是叶绿素的迅速降解。基于此,该研究利用多重基因编辑系统靶向敲除了红果番茄中控制三类色素合成或代谢的关键基因,包括番茄红素合成限速酶基因PSY1、类黄酮合成关键调控基因MYB12和叶绿素降解限速酶基因SGR1,获得了纯合的三重突变体(psy1 myb12 sgr1)。三重突变体的果实在成熟过程中不能合成番茄红素和柚皮素查尔酮,其叶绿素又不能被正常降解,因而呈现出绿色。随后,将三重突变体与红果底盘材料进行回交,筛选出不含外源DNA片段的BC1F1单株进行自交构建BC1F2分离群体。研究通过对BC1F2分离群体的分子鉴定,获得了不同基因型、不同果色的番茄材料,包括野生型(红色)、psy1单突体(橙色)、myb12单突体(粉果)、sgr1单突变体(棕色)、psy1 myb12双突变体(黄色)、myb12 sgr1双突变体(红紫色)、psy1 sgr1双突变体(黄绿色)和psy1 myb12 sgr1三重突变体(绿色)材料。进一步的研究表明,除果色相关性状外,该策略对单果重、单株产量、果实可溶性固形物含量和维生素C含量等性状没有影响。   与常规回交转育相比,该策略具有省时省力、一步到位、不引起连锁累赘、不影响其他农艺性状等优势。该策略很容易复制推广到其他蔬菜、水果和花卉等园艺作物中,而且对其他多基因控制性状的遗传改良具有借鉴作用。   相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。