轉錄因子介導乙烯調控番茄果實成熟的研究進展

康靖

摘要 番茄果實成熟過程既是一個復雜又是一個高度有序的過程，該過程還受多種因子調控。主要綜述了MADS-box轉錄因子、NAC轉錄因子、AP2/ERF轉錄因子、SBP/SPL轉錄因子和其他轉錄因子介導乙烯調控番茄果實成熟的研究進展，為進一步完善轉錄因子介導乙烯參與番茄果實成熟的轉錄調控網(wǎng)絡提供理論參考。

關鍵詞 番茄;轉錄因子;乙烯;果實成熟

中圖分類號 S 641.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）16-0016-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.005?? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on Transcription Factor-Mediated Ethylene Regulation of Tomato Fruit Ripening

KANG Jing

（School of Biological Engineering， Chongqing University，Chongqing 400044）

Abstract The tomato fruit ripening process is both a complex and highly ordered process， which is also regulated by many factors.This article mainly summarizes the research progress of MADS-box transcription factor， NAC transcription factor， AP2/ERF transcription factor， SBP/SPL transcription factor and other transcription factors mediated ethylene regulation of tomato fruit ripening， in order to provide a theoretical reference for further perfecting the transcriptional regulatory network of transcription factor-mediated ethylene participation in tomato fruit ripening.

Key words Tomato;Transcription factor;Ethylene;Fruit ripening

番茄（ Solanum lycopersicum ）是一類比較重要的果蔬作物，含有豐富的營養(yǎng)物質。番茄屬于呼吸躍變型果實，因其基因組小且信息全面、生命周期短、易種植、易轉化等優(yōu)點，已被作為研究肉質果實生長發(fā)育和成熟的模式植物[1]。

番茄果實成熟過程既是一個復雜又是一個高度有序的過程，涉及顏色、質地、風味物質、有機物和芳香物質的變化。該過程還受多種因子調控，目前，轉錄因子（transcription factors）通過乙烯途徑調控果實成熟的研究越來越多。因此，探討這些轉錄因子的功能及其與乙烯之間的相互關系，全面解析轉錄因子介導乙烯參與番茄果實成熟的轉錄調控機制，對培育出優(yōu)質番茄果實品種具有重要的指導意義。筆者主要對近年來轉錄因子和乙烯在果實成熟方面的功能研究進行簡要綜述。

1 番茄果實成熟突變體

轉錄因子在果實成熟方面的調控作用主要依賴于各種果實成熟突變體。MADS-RIN是從番茄 rin（ripening inhibitor） 突變體中克隆并鑒定得到的。 rin 是由于RIN與MADS-MC之間的一段基因缺失使2個基因首尾相連形成新的嵌合體導致基因功能失活而形成的突變體[2]。 rin 突變體中幾乎所有的果實成熟現(xiàn)象均被抑制，包括果實變軟、類胡蘿卜素含量升高、乙烯產(chǎn)生及風味物質合成等[3]。

與 rin ?突變體不同的是， cnr（colorless non-ripening） 突變體不是因為基因缺失引起的，而是由于SBP家族轉錄因子CNR啟動子甲基化導致的[4-5]。 cnr 突變體果實出現(xiàn)無色不成熟的表型，乙烯含量急劇下降[6]。說明CNR在番茄果實成熟中發(fā)揮重要的功能。

nor（non-ripening） 突變體果實不能成熟，也不能產(chǎn)生躍變乙烯。 nor 突變體是由于NAC家族轉錄因子 NOR 基因的第3個外顯子區(qū)域缺失了2個連續(xù)的堿基A而出現(xiàn)的移碼突變，導致NOR蛋白質翻譯提前終止形成186個氨基酸的截短蛋白[7]。即使過表達NOR也不能使 nor 突變體恢復成熟的表型，因此， nor 突變體不成熟的表型可能還受到其他因素的影響[8-9]。

2 乙烯與番茄果實成熟

乙烯主要是由ACS（ACC合成酶）和ACO（ACC氧化酶）經(jīng)過兩步反應催化生成[10]。番茄中與果實成熟相關的乙烯生物合成基因主要有 ACO1、ACS2、ACS4、ACS6和ACO3 。乙烯是通過乙烯信號轉導途徑發(fā)揮生物學效應的。目前公認的模型是細胞膜上的乙烯受體ETRs感知乙烯信號，通過釋放CTR1（CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE 1）對EIN2（ETHYLENE INSENSITIVE2）施加的阻滯而啟動轉錄級聯(lián)反應，激活初級轉錄因子EIN3（ETHYLENE INSENSITIVE 3）/EIL1（EIN3/EIN3-like）和次級轉錄因子ERFs（ethylene response factors）的表達。乙烯信號轉導途徑最終的結果是EIN3/EILs和ERFs對下游靶基因的轉錄調控。番茄中存在7個乙烯受體基因， SlETR3、SlETR4和SlETR6 在果實成熟前期達到峰值，能對乙烯產(chǎn)生最大響應; SlETR1、SlETR2、SlETR5和SlETR7 則在果實成熟后期表達，不受乙烯或受乙烯誘導最少[11-12]。乙烯受體下游是CTR家族基因，番茄中 SlCTR1和SlCTR2 在番茄果實成熟中具有重要作用[13-14]。EIN2能夠正向調控果實成熟過程中的乙烯響應[15]。EIN2下游是EIN3/EILs和ERFs轉錄因子。番茄中發(fā)現(xiàn)了6種EIL轉錄因子（SlEIL1～6），其中SlEIL1～4可以調控某些果實成熟相關基因[16]。乙烯信號轉導的末端是ERFs轉錄因子，這類轉錄因子在果實成熟過程也表現(xiàn)出了重要的調控作用。

3 轉錄因子通過乙烯途徑調控番茄果實成熟

3.1 MADS-box轉錄因子

RIN是從番茄 rin 突變體中鑒定得到的MADS-box轉錄因子。有研究表明，在突變體 rin 中轉入活性RIN，番茄果實可以成熟，但是在野生型番茄中抑制RIN，番茄果實還是出現(xiàn)不成熟的表型[17]。這些結果說明RIN是番茄果實成熟特異的調控因子。大量的ChIP-chip/ChIP-Seq結果表明，很多乙烯合成及響應的相關基因均為RIN的靶基因[2，18-21]，這為RIN介導乙烯調控果實成熟提供了直接證據(jù)。TAGL1的沉默導致乙烯合成受到抑制，同時發(fā)現(xiàn)乙烯合成基因、番茄紅素合成基因及細胞壁降解基因表達下調[22]，說明TAGL1能通過乙烯途徑調控番茄果實成熟。FUL1（又叫TDR4）與FUL2（又叫MBP7）表現(xiàn)出功能冗余。FUL1/2沉默的綠果中乙烯含量顯著降低，證明FUL1和FUL2參與乙烯生物合成[23]。此外，F(xiàn)UL1和FUL2能與RIN相互作用[24]。

3.2 NAC轉錄因子

番茄中至少有101種NAC轉錄因子，但目前只有NOR、SlNAC1、SlNAC4、SNAC4和SNAC9參與番茄果實成熟的調控[8，25-27]。 nor 突變體果實成熟受抑制主要表現(xiàn)在果實完全不成熟、乙烯產(chǎn)生和色素積累缺陷[28-29];同樣地， NOR 基因敲除的果實也表現(xiàn)出部分不成熟的表型[30]。因此，NOR以重要的角色參與番茄果實成熟過程。SlNAC1的沉默延遲了番茄果實成熟，總類胡蘿卜素（包括番茄紅素）及乙烯含量卻比較高;SlNAC1過表達的果實中以上各個指標均呈現(xiàn)相反的結果。此外，SlNAC1能調控其下游的乙烯合成相關基因（ ACO1、ACS2和ACS4 ）的表達，說明SlNAC1通過負調控乙烯參與番茄果實顏色的轉變[27，31]。SlNAC4在果實成熟起始階段表達量較高，SlNAC4的表達被抑制導致果實成熟進程也被抑制，類胡蘿卜素和乙烯含量均處于較低的水平，乙烯合成相關基因（ ACO1、ACO3、ACS2和ACS4 ）表達顯著下調。相對于野生型番茄，SlNAC4在 rin 突變體果實中的表達沒有變化，但RIN的轉錄水平在SlNAC4-RNAi果實中顯著下降[26]，說明SlNAC4可能在RIN的上游調控番茄果實成熟。有研究表明，SNAC4和SNAC9也可通過對乙烯的調控進而實現(xiàn)對番茄果實成熟的調控[27]。

3.3 AP2/ERF轉錄因子

AP2/ERF轉錄因子因含有保守的AP2/ERF 結構域而得名。目前在番茄中發(fā)現(xiàn)了5個基因（ SlAP2a～e），但只有SlAP2a 表現(xiàn)出果實成熟特性，沉默 SlAP2a 果實表現(xiàn)出橙紅色，軟化提前，乙烯含量顯著升高，說明 SlAP2a 負調控乙烯合成進而影響番茄果實成熟。此外，RIN、NOR和CNR作用于 SlAP2a 的上游并調控其表達，但CNR轉錄水平在 SlAP2a -RNAi果實中升高，說明在番茄果實成熟過程中， SlAP2a和 CNR構成了負反饋調控回路[32]。以上結果表明，SlAP2a 能通過平衡多種調控因子，調控復雜的番茄果實成熟過程。

ERF基因參與果實成熟一直備受關注，番茄中存在77個ERF轉錄因子，但目前報道的與果實成熟相關的ERF轉錄因子相對較少[33]。番茄LeERF1過表達植株表現(xiàn)出組成型乙烯響應的表型，番茄果實成熟和軟化加快，而LeERF1表達受到抑制，番茄果實成熟進程也相應地變慢[34]。LeERF2是一個受乙烯誘導的轉錄因子，LeERF2又能反過來影響乙烯合成[35]。同樣地，SlERF6也是一個果實成熟特異的轉錄因子，負調控番茄果實成熟[36]。近年來發(fā)現(xiàn)SlERF.B3（又叫LeERF4）能夠調控多個基因的表達，例如果實成熟相關基因及某些ERF家族成員的表達，ERF.B3-SRDX果實顏色表現(xiàn)為橙紅色，番茄紅素含量較低，但是乙烯含量卻呈現(xiàn)上升趨勢，可能是由于乙烯合成基因表達上調所致，ERF.B3-SRDX對乙烯敏感性高表明SlERF.B3反饋調節(jié)乙烯的合成和響應[37-38]。

3.4 SBP/SPL轉錄因子

CNR屬于SBP/SPL家族成員，其啟動子甲基化導致 cnr 突變體果實表現(xiàn)為無色、乙烯含量大大降低的表型[5，39]，即使施加外源乙烯也不能使突變體的表型恢復至野生型。CNR啟動子甲基化不僅抑制其與RIN的結合活性[18]，也抑制了RIN與其他基因的結合活性[20]，而 rin 中CNR的表達水平也很低，以上結果暗示CNR應該在RIN的下游發(fā)揮作用[5]。另外，其他的SBP/SPL轉錄因子也可能參與調控番茄果實發(fā)育與成熟[40]。

3.5 其他轉錄因子

其他轉錄因子如HB-1也參與果實成熟的調控。LeHB-1是一種HD-zip同源異型蛋白，可直接與 ACO1相互作用，LeHB-1基因的抑制會導致ACO1 表達降低，乙烯合成減少，延遲果實成熟[41]。

4 展望

番茄果實成熟是一個復雜而又高度協(xié)調有序的過程，各類轉錄因子介導乙烯調控番茄果實成熟的機理仍是目前研究的重點和難點。因此，繼續(xù)挖掘番茄果實成熟相關轉錄因子并探究這些轉錄因子的功能及其與乙烯之間的關系，完善轉錄因子介導乙烯參與番茄果實成熟的轉錄調控網(wǎng)絡，對于從分子水平上改良番茄品種具有重要的指導意義。

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