喜讯！Nat Commum 项目文章：解析红光诱导褪黑素生物合成的机制有助于培育富含褪黑素的番茄

近日，四川大学张阳教授团队在Nature Commumications上发表题为Understanding the mechanism of red light induced melatonin biosynthesis facilitates the engineering of melatonin enriched tomatoes 解析了红光诱导褪黑素生物合成的机制有助于培育富含褪黑素的番茄。本文酵母文库构建由南京源宝生物提供。

01、研究背景

褪黑素是一种功能保守的广谱生理调节剂，在番茄果实中提高褪黑素的含量不仅能提高番茄的农艺性状，还有益于人体健康。研究表明补充红光可以通过SlphyB2-SlPIF4-SlCOMT2通路提高番茄果实中褪黑素的含量。本文通过基因编辑SlPIF4基因，显著提高了番茄果实中褪黑素的产生。本研究为解析植物对环境因素响应的代谢途径和促进健康食品的工程提供了一个很好的实例。

02、研究目的

本研究完全阐明了番茄果实中褪黑素的合成途径。而且还解析了红光处理后番茄可以通过SlphyB2-SlPIF4-SlCOMT2通路显著促进了果实中褪黑素的合成。本研究不仅扩展了环境因素如何影响植物关键代谢物生物合成的认识，还为利用植物调节机制选育营养增强型的作物提供了一个现实的思路。

03、研究结果

通过对番茄基因组进行BLSAT比对，获得17个与褪黑素合成相关的候选基因。通过转录组分析将候选基因缩小至10个。通过烟草叶片瞬时表达及番茄果实瞬时沉默发现SlSNAT、SlCOMT2、SlASMT5和SlASMT7参与番茄褪黑激素的生物合成。

SlASMT5、SlASMT7、SlCOMT2和SlSNAT可以正调控番茄中褪黑素的生物合成。利用大肠杆菌重组蛋白进行的体外酶分析发现番茄果实中褪黑素的生物合成可能有两种途径，一种是通过“serotonin(3)—N-acetylserotonin (5)—melatonin (6)”途径，另一种是通过“serotonin (3)—5-methoxytryptamine (4)—melatonin (6)”途径。而且，几个关键基因中SlASMT5和SlCOMT2催化MT生物合成N-乙酰-5-羟色胺途径，而SlASMT7参与5-甲氧基色胺途径。

在补充红光的情况下，可以诱导番茄SlASMT7、SlASMT5和SlCOMT2的表达，进而褪黑激素的含量。而且在红光下N-乙酰-5-羟色胺的含量显著增加，但5-甲氧基色胺的含量没有变化。因此，补充红光可以通过激活SlASMT5和SlCOMT2的表达水平来促进番茄果实褪黑激素的生物合成。

通过分析SlASMT5和SlCOMT2的启动子区域发现一系列光信号相关的G-box元件，通过酵母单杂发现光敏色素相互作用因子4 （phytochrome-interacting factors 4, SlPIF4）可以结合到SlCOMT2启动子的第二个G-box元件上，但不能与SlASMT5的启动子G-box元件结合。而且通过验证发现SlPIF4可以通过与SlCOMT2启动子互作抑制SlCOMT2的表达进而负调控褪黑素的合成。

光敏色素B2 (phytochrome B2, phyB2)在番茄果实不同发育阶段的表达与褪黑激素的表达高度一致，通过荧光素酶实验发现SlphyB2可以通过26S蛋白酶体途径促进SlPIF4的降解。因此，SlPIF4通过直接抑制SlCOMT2表达负向调节番茄果实中褪黑激素的生物合成。在红光补充下，SlphyB2的激活通过26s蛋白酶体途径促进SlPIF4的降解。

通过直接敲除SlPIF4或突变SlCOMT2启动子上的SlPIF4识别位点都显著增强了番茄果实中褪黑激素的含量。

总结：

本研究全面阐明了番茄中褪黑素的生物合成途径，并且发现在番茄中共存不同的褪黑素生物合成途径。同时研究还揭示了红光诱导褪黑激素生物合成的机制，并通过基因编辑成功培育出富含褪黑激素的番茄品种。该研究可以不仅使人们了解植物受环境因素调节关键代谢过程，还可以利用该机制创制营养成分含量丰富的作物。