Comparative transcriptome analyses shed light on carotenoid production and plastid development in melon fruit

比较转录组分析揭示了甜瓜中胡萝卜素的积累和质体的发育

通讯作者: Li Li¹, Yaakov Tadmor²

研究机构: 1. 美国康奈尔大学农业部研究服务局; 2. 以色列农业技术研究组织Newe Ya’ar研究中心

研究方向：1. 植物代谢、植物分子生物学和植物营养 2. 用于研究和育种目的的独特植物材料的开发;农产品中健康和质量化合物和性状的遗传和化学分析。

期刊名称：Horticulture Research

出版时间：2021年 5 月

DOI: https://www.nature.com/articles/s41438-021-00547-6

摘要：

类胡萝卜素，例如β胡萝卜素，在不同新鲜水果的有色体中合成，影响其颜色，香气以及营养成分。Orange (CmOr) 基因通过翻译后增强胡萝卜素生成和抑制有色体中 β-胡萝卜素的转换来控制甜瓜果实中β-胡萝卜素的积累。类胡萝卜素异构酶 (CRTISO) 将黄色番茄红素异构化为红色番茄红素，这是进一步代谢为β-胡萝卜素的先决条件。相关研究人员比较分析了橙色甜瓜的果实不同发育阶段的转录组及其两个等基因 EMS 诱导的突变体，low-β(Cmor) 和 yofi (Cmcrtiso)。low-β中的 Cmor 突变导致成熟果实的主要基因转录水平改变的原因，yofi 中的 Cmcrtiso 突变仅在果实早期发育阶段改变了相关基因的转录水平。这些发现表明，甜瓜果实的转录组主要受类胡萝卜素代谢通量和质体转化的变化影响，但对成熟果实中类胡萝卜素成分的影响很小。差异基因聚类结果表明，在果实的叶绿体中，胡萝卜素代谢和光合作用存在一定的关联；此外大量的类囊体定位光合基因在low-β中存在差异表达； CmOR家族蛋白与捕光叶绿素a-b结合蛋白存在相互作用，表明 CmOR 在甜瓜果实中的叶绿体维持中发挥了新作用。

结果简介：

  Low-β和yofi两个突变系都来源于一种称为“charentais”的甜瓜。野生型的甜瓜成熟后由于其β胡萝卜素的积累和叶绿素的减少而呈现橙色，low-β突变体果肉在整个成熟过程中保持绿色，yofi果肉呈黄色。

low-β突变系：由于Orange 基因的无义突变导致PSY基因的表达水平降低并且阻碍了有色体的形成，导致该突变体成熟的果肉中存在大量的叶绿体和少量的有色体。

yofi突变系: 由于类胡萝卜素异构酶（CRTISO）的突变导致番茄红色无法正常合成，从而导致果肉中存在大量的黄色的番茄红素前体的积累使得果肉呈现黄色。

Fig. 1 Schematic carotenoid biosynthetic pathway and melon fruit phenotypes.

  low-β突变系与野生型相比，在开花后10天两者之间存在96个差异基因，这表明在很早期的阶段，CmOr基因的突变就能够影响果肉内细胞过程，而在成熟后两者之间存在大量的差异基因，该变化可能是由于CmOr突变引起的类胡萝卜素代谢率和染色体发育变化的结果，以及 CmOr 对其他细胞过程的潜在影响。

  在yofi突变系中，与野生型相比较，在果实发育前期大量差异基因存在转录水平的改变，而在果实成熟后却无差异基因存在，这说明CRTISO的突变能够在发育前期影响胡萝卜素的代谢，而在成熟后，用番茄红素替代β-胡萝卜素对果实成熟期基因转录的影响很小。对差异基因进行功能富集分析，发现大量差异基因与细胞代谢过程，光合作用等通路相关，结果表明，与果实早期发育阶段不同，在成熟的 yofi 果实中用番茄红素替代β-胡萝卜素对质体和光合相关基因的转录产生的影响很小。而由于许多编码必需结构光合元件的基因在成熟的low-β果实中保持高表达水平，但在 WT和 中yofi 中下调，表明没有积累类胡萝卜素，光合器官的转录维持似乎会继续朝着果实成熟的方向发展。

研究人员通过对low-β突变系中成熟果肉中的差异基因进行 细胞复合物的富集，发现存在大量定位于质体类囊体和类囊体膜上的基因，表明CmOr基因除已知功能外还拥有一个潜在的调节类囊体过程的作用。后续试验证明CmOR家族蛋白（CmOR和CmOR-Like）可以与捕光色素叶绿素a/b结合蛋白(LHCB)直接发生相互作用，从而影响LHCB 的稳定性，从而来维持光合作用的进行和叶绿体的发育。

Fig. 5 Interactions of CmOR and CmOR-like with two LHCB proteins.

Fig. 6 Model of distinct carotenoid accumulation and plastid development controlled by CmOR in CEZ and low-β fruit.