近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院聯(lián)合北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院等單位在辣椒紅素生物合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“An R-R-type MYB transcription factor promotes nonclimacteric pepper fruit carotenoid pigment biosynthesis”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Plant Journal（中科院一區(qū)，五年影響因子：8.02，論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16257）。

 

　　成熟果實(shí)色澤決定果實(shí)外觀和營養(yǎng)品質(zhì)，影響消費(fèi)者偏好。根據(jù)果實(shí)成熟期間呼吸及乙烯釋放高峰的有無，果實(shí)一般可以分為呼吸躍變型果實(shí)（climacteric fruit，如番茄、蘋果、和香蕉等）和非呼吸躍變型果實(shí)（non-climacteric fruit，如辣椒、葡萄、草莓和柑橘）。基于乙烯受體和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制，呼吸躍變型果實(shí)番茄成熟過程中類胡蘿卜素生物合成調(diào)控的分子機(jī)理已研究非常清楚。脫落酸（ABA）被認(rèn)為是啟動(dòng)非呼吸躍變型果實(shí)成熟的關(guān)鍵激素，而其這在類果實(shí)成熟過程中介導(dǎo)類胡蘿卜素生物合成調(diào)控的分子機(jī)制卻仍然不明確。

 

　　辣椒（Capsicum）是我國重要的蔬菜和調(diào)料作物，是典型的非呼吸躍變型果實(shí)。辣椒紅素是辣椒成熟果實(shí)特異高度積累的一種類胡蘿卜素，賦予成熟果實(shí)紅色，決定果實(shí)外觀和營養(yǎng)品質(zhì)。同時(shí)，辣椒紅素作為脂溶性天然色素，由于具有優(yōu)異的抗氧化等生物活性和極高色價(jià)（色價(jià)E值即460nm處的吸光值）的特點(diǎn)，被作為重要的工業(yè)原料廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品（高端口紅、美妝）及飼料添加劑等領(lǐng)域。在食品添加劑領(lǐng)域，辣椒紅素憑借色價(jià)高、著色力強(qiáng)、保色效果好和安全性高等優(yōu)點(diǎn)被聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WHO）列為A類色素（即在使用中可以不限量添加）。目前，全球辣椒紅素市場規(guī)模達(dá)數(shù)十億元，且以每年15%復(fù)合增長率增加。辣椒紅素提取上游主要為辣椒原材料和生產(chǎn)檢驗(yàn)設(shè)備，其中辣椒原材料質(zhì)量直接影響辣椒紅素提取行業(yè)發(fā)展，上游成本的結(jié)構(gòu)中辣椒原材料成本占比超過90%，選育高產(chǎn)、多抗、高辣椒紅素的辣椒品種是加工提取的關(guān)鍵。辣椒紅素主要在辣椒果實(shí)轉(zhuǎn)色期至成熟期合成，其合成基因PSY（八氫番茄紅素合成酶），PDS（八氫番茄紅素脫氫酶），β-CH（β-胡蘿卜素羥化酶）和CCS（辣椒紅素-辣椒玉紅素合成酶）在轉(zhuǎn)錄水平層面控制辣椒紅素含量，但是其合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制尚不清楚。因此，研究辣椒紅素生物合成的分子遺傳機(jī)制，為創(chuàng)制高辣椒紅素辣椒新種質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

 

　　本研究通過對辣椒不同發(fā)育階段果實(shí)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)構(gòu)建加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)（WGCNA），鑒定到辣椒紅素合成模塊（MEdarkgreen）。在該模塊中，包含編碼辣椒紅素合成酶（capsanthin-capsorubin synthase，CCS）基因及一個(gè)功能未知且和CCS表達(dá)高度相關(guān)的R-R型MYB轉(zhuǎn)錄因子DIVARICATA1。功能表征發(fā)現(xiàn)DIVARICATA1編碼一個(gè)核定位的轉(zhuǎn)錄激活因子，沉默DIVARICATA1顯著降低了辣椒紅素合成相關(guān)基因PSY，PDS，β-CH1和CCS的轉(zhuǎn)錄，對應(yīng)的辣椒紅素含量也顯著降低。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明了DIVARICATA1直接結(jié)合并調(diào)控辣椒紅素合成基因CCS的表達(dá)。通過分析辣椒紅素含量不同的辣椒種質(zhì)資源發(fā)現(xiàn)，DIVARICATA1轉(zhuǎn)錄水平和辣椒紅素含量顯著正相關(guān)。

 

　　為了進(jìn)一步探索ABA在辣椒果實(shí)成熟過程中的作用，采用ABA處理綠熟期辣椒果實(shí)可以顯著促進(jìn)DIVARICATA1和辣椒紅素合成基因（CBG）表達(dá)，對應(yīng)的辣椒紅素的含量也顯著上升。沉默DIVARICATA1顯著降低了ABA介導(dǎo)的辣椒紅素合成基因（CBG）表達(dá)和辣椒紅素的積累，表明在ABA介導(dǎo)非呼吸躍變型辣椒果實(shí)成熟過程中，類胡蘿卜素合成依賴于DIVARICATA1。

 

　　辣椒基因組測序表明，辣椒紅素合成通路基因在茄科植物辣椒、番茄、茄子、馬鈴薯、煙草等植物中都存在，比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵基因特異在辣椒果實(shí)中轉(zhuǎn)錄是辣椒積累辣椒紅素的原因。為了進(jìn)一步明確辣椒紅素生物合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控進(jìn)化機(jī)制，本研究分析了辣椒、番茄、茄子、馬鈴薯等茄科所有已明確參與果實(shí)成熟和類胡蘿卜素生物合成的轉(zhuǎn)錄因子和合成基因。結(jié)果表明，類胡蘿卜素上游合成基因PSY、PDS和成熟核心調(diào)控基因MADS-RIN轉(zhuǎn)錄模式在茄科果實(shí)成熟過程中相對保守。然而，類胡蘿卜素下游合成基因β-CH、CCS和DIVARICATA1特異在辣椒果實(shí)中獲得高水平轉(zhuǎn)錄，表明它們功能茄科中出現(xiàn)了差異進(jìn)化。進(jìn)一步分析表明，辣椒中DIVARICATA1可以被MADS-RIN調(diào)控，表明MADS-RIN-DIVARICATA1模塊參與辣椒果實(shí)成熟過程中類胡蘿卜素的生物合成。該研究首次鑒定到了辣椒紅素生物合成的關(guān)鍵調(diào)控基因，明確了ABA信號介導(dǎo)非呼吸躍變型辣椒果實(shí)類胡蘿卜素生物合成的機(jī)制，并且發(fā)現(xiàn)了辣椒紅素在茄科的生物合成差異調(diào)控的進(jìn)化機(jī)制，為辣椒色澤遺傳改良奠定了基礎(chǔ)。

 

　　據(jù)悉，目前園藝學(xué)院辣椒課題組已經(jīng)從世界范圍內(nèi)收集3200余份遺傳多樣性極為廣泛的辣椒種質(zhì)資源，這些材料為辣椒重要農(nóng)藝性狀、風(fēng)味色澤代謝品質(zhì)和雜種優(yōu)勢形成機(jī)理的研究以及分子設(shè)計(jì)育種提供了重要的支撐。

 

　　華南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后宋佳麗和孫彬妹副教授為該論文第一作者，朱張生、雷建軍教授為該論文通訊作者。陳長明、陳國菊、曹必好等教授也參與了該研究。研究得到了國家自然科學(xué)基金（32102380, U21A20230, 32070331和32072580）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2022A1515012547）、廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2023A04J0115）、廣東省農(nóng)業(yè)廳（2022-NPY-00-024）和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)提質(zhì)增效項(xiàng)目的資助。