番茄等肉质果实富含多种维生素、矿物质、膳食纤维和天然抗氧化物，在维持人体健康方面有着重要的作用。甾体糖苷生物碱（Steroidal glycoalkaloids，SGAs）是茄科植物特有的一类次生代谢产物，也是重要的防御和反营养物质。番茄果实早期发育过程中积累α-番茄碱以抵抗病原体侵染和食草动物啃食，但因其具有一定的毒性和苦味，在果实成熟过程中需要代谢为无毒无苦味的七叶皂苷。番茄在长期驯化过程中SGAs的含量受到负向选择以利于果实被取食达到种子传播的目的。目前对于甾体糖苷生物碱的代谢通路已经进行了较多的研究，但对于其代谢调控及驯化过程中负向选择机制还有待深入研究。
近日，四川大学生命科学学院刘明春课题组在Nature Communications上发表了题为“A distal enhancer guides the negative selection of toxic glycoalkaloids during tomato domestication”的研究论文，揭示了远端增强子GE1调控SGAs代谢及引导番茄驯化过程中SGAs负向选择的分子机制, 为果实营养品质改良提供了新的思路和靶点。
该研究以果实表皮皱缩的T-DNA插入突变体（wrinkled surface, ws突变体）为研究对象（图1a），通过全基因组重测序分析发现T-DNA插入位于基因间区，附近约40 kb区域均无蛋白编码基因存在。通过RNA-seq、代谢产物和表型鉴定等分析，明确了有毒SGAs代谢产物（主要是γ-tomatine）异常积累是导致ws突变体表型的主要原因（图1b,c）。通过DNase-seq和ChIP-seq数据分析，获得了全基因组染色质特征图谱并在T-DNA插入位点附近鉴定到一个2.9kb的远端增强子GE1。进一步通过 Hi-C测序分析发现在野生型中GE1和位于7号染色体GAME基因簇位于同一个拓扑结构域中，GE1通过染色质环（Chromatic loop）和GAME基因簇在三维空间上相互作用，调控GAME 基因簇中GAME1、GAME17和GAME18的表达进而调节茄碱代谢（图1d）。而在ws突变体中，T-DNA的插入破坏了染色质空间构象，使GE1对GAME基因簇产生错误调控，特别是降低了催化γ-tomatine代谢的GAME18的表达，导致了有毒SGAs的异常积累（图1b-d）。进一步研究发现，GE1会招募MYC2-SlERF.B9（GAME9）转录复合体，通过染色质环进行空间互作，从而调控番茄7号染色体上GAME簇的表达。
番茄从远古种被驯化为现代栽培种的过程中，可以分为三个亚种，分别为PIM（野生番茄），CER（樱桃番茄）和BIG（大果栽培番茄）。在从PIM到CER再到BIG的驯化过程中，SGAs作为反营养因子被负向选择，从而降低了番茄果实的毒性和苦味，使番茄变得美味可口。该研究发现GE1是原始种GE176的天然等位变异，在驯化过程中，GE176受到负向选择。GE176品种的SGAs含量显著高于GE1品种。深入解析后发现，GE176的增强子活性显著高于GE1，其促进GAME基因簇的表达的能力更强。在番茄驯化过程中，弱增强子GE1的自然选择促使有毒SGAs代谢产物的显著降低，使得果实更为可口诱人（图1e）。
图1.GE1通过染色质环调控GAME基因簇并在驯化过程中受到选择。a, 不同时期的野生型和突变体果实皱缩表型；b, 番茄中SGAs生物合成路线图。箭头表示相较于WT，ws突变体中基因表达的上调（棕色）或下调（绿色）。蓝色标注的基因在7号染色体上成簇存在。c, WT和ws突变体中SGAs代谢谱。d，WT和ws突变体中GE1和GAME基因之间的染色质环示意图。e, 用GE1的全长序列构建的46个番茄品种的系统发育树。灰色线条代表在驯化过程中被删除的序列。
该研究揭示了“转录因子-增强子-启动子”调控番茄果实甾体糖苷生物碱代谢的分子机制。增强子GE1通过染色质构象的动态变化实现对SGAs代谢时空特异性的精细化调控（图2）。在野生型中，增强子GE1招募MYC2-SlERF.B9转录复合体，通过染色质环调控GAME基因簇的表达。而在ws突变体中，T-DNA插入破坏了染色质空间构象，造成了GE1对GAME基因簇的错误调控使得有毒SGA异常积累导致表皮细胞毒性而使番茄果实表皮皱缩。该研究不仅为精准育种调节茄科植物SGAs含量提供新的思路，也为改良果实营养、风味品质以及与抗性之间的平衡提供了理论依据。
图2. GE1调控SGAs代谢的分子机制。在果实前期，野生型中“转录因子-增强子-启动子”的调控机制(左)，ws 突变体中GE1的功能受到破坏(右)。
四川大学生命科学学院刘明春教授和法国图卢兹大学Mondher Bouzayen教授（四川大学高端外籍教师）为该论文的共同通讯作者，四川大学博士研究生白峰和已毕业硕士研究生舒朋为该论文共同第一作者。课题组邓恒、吴易、陈耀和武孟波，法国图卢兹大学Julien Pirrello教授、英国华威大学洪益国教授、重庆大学李正国教授、四川大学马涛教授和张阳教授参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金等课题和项目的资助。
据悉，四川大学刘明春课题组长期聚焦果实成熟与品质代谢的调控机制研究，特别关注乙烯响应因子ERF的功能和作用机制。近五年，以通讯联系人在Developmental Cell、Nature Communications、Plant Cell、Molecular Plant、New Phytologist、Journal of Integrative Plant Biology、Plant Physiology等国内外知名期刊上发表了一系列研究成果，深入揭示了ERF转录精细调控果实成熟、软化、色泽形成、风味和营养品质代谢以及采后抗性等分子机制。研究结果不仅为全面解析ERF家族的功能奠定了基础，也为果实品质调控及采后贮运保鲜技术的研发提供新靶点。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47292-7
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