脱落酸调控番茄果实中番茄红素代谢的机理及其与乙烯互作的研究

20220114

农、林、牧、渔业

本项目成果包括两个方面：第一为脱落酸调控番茄果实中番茄红素积累的机理研究。该成果利用基因编辑技术创制了系统II乙烯合成缺失突变体，同时利用乙烯信号感知缺陷突变体Nr对脱落酸调控番茄果实成熟与番茄红素积累的作用进行了研究。结果发现脱落酸只在系统II乙烯存在的情况下对果实成熟和番茄红素积累有促进作用。而在乙烯缺失的情况下过量的脱落酸反而会抑制果实的转色。脱落酸的上述作用是通过调控乙烯合成、细胞壁降解与类胡萝卜素合成相关基因的表达来实现的。该成果对于未来开发果实成熟调节剂以及开发采后技术有重要作用，同时本研究中间产物SlACS2/4突变体可以应用在育种中。第二为过表达SlPSY1基因使番茄中过度积累番茄红素。该成果通过在番茄中过表达番茄红素合成关键酶基因PSY1发现，过度积累番茄红素会通过抑制脱落酸与赤霉素的合成而影响植株的大小与果实转色过程。同时通过对转录组的分析发现，很多代谢通路相关基因，包括脱落酸与赤霉素合成关键基因的表达受到了影响。该成果创制的过度积累类胡萝卜素的番茄材料可以为未来番茄育种提供中间材料，也可为未来进一步通过基因工程优化番茄红素合成提供中间材料。本课题组有着丰富的育种经验并培育过多个优良的番茄品种，在对中间材料的利用上有着丰富的经验，也为未来转化奠定了基础。

本项目成果为技术原理构想与育种中间材料，主要包括脱落酸调控番茄果实中番茄红素积累的机理研究。该成果利用基因编辑技术创制了系统II乙烯合成缺失突变体-SlACS2/4，揭示了脱落酸调控番茄果实成熟的机理；还包括通过过表达SlPSY1基因使番茄中过度积累番茄红素，揭示了番茄红素过度积累给番茄植株生长发育带来的影响。因此对转化合作有如下需求。1.资金，由于本项目成果需要进一步开发，所以对转化合作的资金需求较高。根据本课题组多年的育种经验，从中间材料到最终品种过程一般需要3-5年，期间需要大量的人力、物力与技术保障，投入较高，因此需要合作方至少具有2000万以上的注册资本。2.设备：本项目需要合作方具备分子生物学试验条件、分子育种检测条件和材料种植条件。分子生物学试验条件包括：PCR仪、离心机、高速离心机、冷冻离心机、凝胶电泳系统、常规冰箱、超低温冰箱、凝胶成像系统等；分子育种检测条件包括：DNA高通量提取仪、高效液相色谱等；材料种植条件包括：日光温室、塑料大棚。3.场地需求：由于育种周期长，占地多，分茬口，因此需要稳定的试验场所。日光温室，包括单屋面日光温室与玻璃日光温室面积应不小于300平方米，塑料大棚面积不小于3000平方米。其中单屋面日光温室与玻璃日光温室应具有冬季加热能力。4.人员：由于分子育种需要相对专业的技术人员，因此合作方应具备有经验的分子育种技术员1-2名，授粉技术工人3-5人。

可国（境）内外转让

本项目成果主要包括脱落酸调控番茄果实中番茄红素积累的机理研究。该成果利用基因编辑技术创制了系统II乙烯合成缺失突变体-SlACS2/4，揭示了脱落酸调控番茄果实成熟的机理；还包括通过过表达SlPSY1基因使番茄中过度积累番茄红素，揭示了番茄红素过度积累给番茄植株生长发育带来的影响。根据对成果的分析，认为其具有以下两方面的效益：1.社会效益：番茄红素（Lycopene）是很多园艺作物果实中色素的主要成分，也是果实品质的一个重要决定因子，更是人类膳食中类胡萝卜素的一个重要来源。有研究表明，番茄红素具有很强的抗氧化作用，能够有效的减小和修复臭氧对机体的损伤；同时，番茄红素还有降低包括肺癌在内的多种癌症发病率的作用。因此，对于在夏季受臭氧、冬季受雾霾困扰的首都市民来说，提高番茄红素摄入量对提高其健康水平有积极的意义。番茄是我国居民膳食中番茄红素的最主要来源，因此提高番茄果实中番茄红素的含量对增加居民番茄红素摄入量有积极的作用，而阐明番茄红素合成的调控及其机理不仅对阐明番茄果实品质形成机理有重要的科学意义，更对提高果实品质和人民健康水平有重要的实际意义。2.经济效益：利用本项目创制的高番茄红素材料进行改良并选育出高番茄红素的功能性新番茄新品种将会受到消费者的欢迎，其售价也要高于普通番茄。根据现有品种估算，高番茄红素功能性品种将会给种植户带来6000元/亩/年的增收。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

番茄红素是果实品质的一个重要决定因子也是人类膳食中类胡萝卜素的重要来源。番茄是我国居民膳食中番茄红素的最主要来源，因此阐明番茄中番茄红素代谢的调控机理不仅对阐明番茄果实品质形成机理有重要的科学意义，更对提高果实品质和人民健康水平有重要的实际意义。脱落酸和乙烯已被证明是番茄果实成熟与番茄红素积累的重要调控因子，然而脱落酸对上述过程的调控是否依赖乙烯以及两种激素对在调控上述过程中的互作尚不清楚。 为阐明上述问题本项目开展了以下两部分的研究： （1）利用基因编辑技术创制了系统II乙烯合成缺失突变体，同时利用乙烯信号感知缺陷突变体Nr对脱落酸调控番茄果实成熟与番茄红素积累的作用进行了研究。结果发现脱落酸只在系统II乙烯存在的情况下对果实成熟和番茄红素积累有促进作用。而在乙烯缺失的情况下过量的脱落酸反而会抑制果实的转色。脱落酸的上述作用是通过调控乙烯合成、细胞壁降解与类胡萝卜素合成相关基因的表达来实现的。 （2）本研究也对通过基因工程手段提高番茄红素含量对番茄植株发育的影响进行了研究。通过在番茄中过表达番茄红素合成关键酶基因PSY1发现，过度积累番茄红素会通过抑制脱落酸与赤霉素的合成而影响植株的大小与果实转色过程。同时通过对转录组的分析发现，很多代谢通路相关基因，包括脱落酸与赤霉素合成关键基因的表达受到了影响。