華中農大葉志彪課題組發現蘋果酸調控的新機制

近日，Plant Cell 在線發表華中農業大學園藝植物生物學教育部重點實驗室葉志彪教授課題組題為「An InDel in the Promoter of Al-activated malate transporter 9 Selected During Tomato Domestication Determines Fruit Malate Contents and Aluminum Tolerance」研究論文，在番茄果實蘋果酸代謝調控研究中取得重要進展。

隨著社會經濟發展水平的提高，消費者對果實品質特別是果實風味的要求日益提高。蘋果酸作為植物界中廣泛存在的有機酸之一，在品質形成方面發揮著重要作用。果實中大部分的糖酸是積累在液泡中的，因此液泡中蘋果酸的儲存對果實中蘋果酸積累尤為重要。蘋果酸向液泡的轉運是通過液泡膜上的轉運蛋白來實現的。

鋁激活蘋果酸轉運蛋白（ALMT，aluminum-activated malate transporter）是植物所特有的一類膜蛋白質，其 mRNA 的表達受到鋁離子的誘導且在植物耐鋁中起著重要的作用。前人對 ALMT 基因功能的研究主要集中在該基因對模式作物擬南芥和禾本科植物根部耐鋁毒的作用，相關基因在番茄等重要的園藝作物中蘋果酸積累的調控還鮮有報道。本研究通過mGWAS、連鎖作圖和基因功能分析等手段，定位到了調控番茄蘋果酸積累的主效位點TFM6 (tomato fruit malate 6)，編碼一個鋁激活蘋果酸轉運蛋白（SlALMT9），該基因定位於細胞膜。在SlALMT9的啟動子中的一個3-bp indel與果實蘋果酸含量完全連鎖。進一步分析表明，SlALMT9 indel_3正好位於 SlALMT9啟動子中的一個可以被SlWRKY42直接結合的W-box元件中。 SlWRKY42通過結合SlALMT9啟動子上W-box來負調控SlALMT9的表達的，進而抑制番茄果實中蘋果酸積累（圖1）。

圖1. TFM6調控番茄果實蘋果酸積累和根系對鋁毒的抗性的模式圖

此外，超量表達SlALMT9能提高根系蘋果酸轉運進而增強番茄對鋁毒的抗性。進化分析顯示SlALMT9 indel_3在番茄由醋栗番茄馴化到櫻桃番茄（PIMCER），櫻桃番茄到現代大果番茄（CREBIG）的改良過程中受到人工選擇。系統發育分析表明，現代番茄中高蘋果酸基因型（SlALMT9HMH）是通過兩個進化事件形成的：第一步是LTR反轉錄轉座子CopiaSL_37插入到野生PIM番茄SlALMT9基因的第二個內含子中，使得在櫻桃番茄（CER）中產生了低蘋果酸基因型（SlALMT9LMH）。 第二步是在人類選擇下去除SlALMT9LMH基因型中的indel_3，導致CER和BIG中的SlALMT9HMH基因型在栽培番茄中產生。本研究首次揭示了ALMT基因在番茄品質形成和抗性方面的雙重作用，SlALMT9可能是番茄馴化和改良過程中的關鍵因素，為改善栽培番茄風味品質和抗性品質的提供了遺傳基礎，具有重要的科學意義。

華中農業大學葉志彪教授、張余洋教授及康奈爾大學James J Giovannoni教授為該文的通訊作者，華中農業大學博士後葉傑為該論文第一作者。

Deciphering the mechanism of malate accumulation in plants would contribute to a greater understanding of plant chemistry, which has implications for improving flavor quality in crop species and enhancing human health benefits. However, the regulation of malate metabolism is poorly understood in crops such as tomato (Solanum lycopersicum). Here, we integrated a metabolite-based genome-wide association study (mGWAS) with linkage mapping and gene functional studies to characterize the genetics of malate accumulation in a global collection of tomato accessions with broad genetic diversity. We report that TFM6 (tomato fruit malate 6), which corresponds to Al-Activated Malate Transporter 9 (Sl-ALMT9 in tomato), is the major quantitative trait locus responsible for variation in fruit malate accumulation among tomato genotypes. A 3-bp indel in the promoter region of Sl-ALMT9 was linked to high fruit malate content. Further analysis indicated that this indel disrupts a W-box binding site in the Sl-ALMT9 promoter, which prevents binding of the WRKY transcription repressor Sl-WRKY42, thereby alleviating the repression of Sl-ALMT9 expression and promoting high fruit malate accumulation. Evolutionary analysis revealed that this highly expressed Sl-ALMT9 allele was selected for during tomato domestication. Furthermore, vacuole membrane-localized Sl-ALMT9 increases in abundance following Al treatment, thereby elevating malate transport and enhancing Al resistance.

來源| 植物科學最前沿

封面圖片|農務學堂

排版|肖寒

責任編輯|丁玲

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