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2021 , Vol. 42 >Issue 12: 3451 - 3461

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.12.010

Omics & Biotechnology

Functional Verification of Tomato Steroidal Glycoalkaloids Synthetase SlERT1b Gene and Its Transcriptional Regulation

  • LI Han 1 ,
  • SHI Yunxia 2 ,
  • YUAN Honglun 2 ,
  • LIU Xianqing 2 ,
  • LUO Jie , 2, *
Expand
  • 1. College of Life Science and Pharmacy, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
  • 2. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
* LUO Jie,E-mail： 。

Received date: 2021-04-08

  Revised date: 2021-07-28

  Online published: 2022-01-14

Copyright

Copyright reserved © 2021.
Fold

Abstract

The steroidal glycoalkaloids in green tomatoes mainly exist in the form of α-tomatine, which gives tomatoes bitter taste and are not suitable for consumption. During the fruit ripening process, α-tomatine will generate esculeoside a through a series of enzymatic reactions, which makes fruits eatable. But the metabolic pathway has not been completely elucidated. In the previous research, we identified a glycosyltransferase SlERT1b which is involved in this metabolic pathway. In the study, the function of SlERT1b was studied by a tomato genetic transformation experiment. The steroidal glycoalkaloids were detected by LC-MS to verify the role in the metabolic pathway as a glycosyltransferase. Furthermore, the application of exogenous ethylene and ethylene inhibitors 1-MCP could regulate SlERT1b and affect the synthesis of steroidal glycoalkaloids. In addition, we identified the transcription factors SlJERF1 and SlAREB2 which can regulate the expression of SlERT1b. This research provide theoretical basis for the tomato genetic breeding.

Key words： Solanum lycopersicum; steroidal glycoalkaloids; ethylene; transcription factor

Cite this article

LI Han , SHI Yunxia , YUAN Honglun , LIU Xianqing , LUO Jie . Functional Verification of Tomato Steroidal Glycoalkaloids Synthetase SlERT1b Gene and Its Transcriptional Regulation[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2021 , 42(12) : 3451 -3461 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.12.010

番茄（Solanum lycopersicum）是一种深受人们喜爱的蔬菜,其包含丰富的营养物质,如维生素、番茄红素、β-类胡萝卜素、类黄酮和植物甾醇等[1,2,3,4]。甾体生物碱（SGAs）是一类在茄科植物（番茄、马铃薯和茄子等）中发现的特有次生代谢物,又被称为茄碱。甾体生物碱由糖苷配基和糖基侧链组成[5]。马铃薯中甾体生物碱的主要形式有α-卡茄碱（α-chaconine）和α-茄碱（α-solanine）[6]。在番茄中甾体生物碱主要由2种形式存在,即α-番茄碱（α-tomatine）和脱氢番茄碱（dehydrotomatine）,后者的B环5-6 C-C键为双键[7,8]。番茄在生长过程中会遭遇诸多生物胁迫,如真菌、细菌和昆虫等,甾体生物碱对这些胁迫具有一定的抗性[9]。甾体生物碱具有与生物膜上的胆固醇结合进而裂解膜结构的生物学活性,从而使植物获得抗性[10]。甾体生物碱可以降低人体饮食中的胆固醇[11,12],另外有研究称α-番茄碱可通过破坏细胞膜显著地抑制癌细胞的生长[13]。不同于马铃薯中的α-卡茄碱和α-茄碱具有强烈毒性[6],番茄中的α-番茄碱对人体的毒性较低。一项研究发现秘鲁存在一种高含量α-番茄碱的番茄品种,在食用后不存在不良反应,并发现番茄的苦味与α-番茄碱的含量呈正相关[14]。普通番茄在成熟过程中,α-番茄碱的含量迅速降低,果实的重量、成熟度和α-番茄碱含量具有显著的相关性[15,16,17]。成熟果实中的主要甾体生物碱是七叶皂苷A（esculeoside A）,由α-番茄碱合成而来[18,19]。有研究称七叶皂苷A的生物活性可以改善小鼠的动脉粥样硬化[20]。有研究推测α-番茄碱到七叶皂苷A的代谢途径依次为羟化、酰基化、羟化和糖基化[21]。最新的一项研究发现一个酮戊二酸双加氧酶可以参与该过程的第1步羟化反应[22,23]。然而,后续的代谢途径受到哪些基因的作用尚未被解析。
研究甾体生物碱合成途径的调控关系对解析其合成的分子机理具有重要意义,植物激素在植物生长发育和代谢物合成中起到关键的调控作用,激素通过影响响应的转录因子进而改变下游基因的表达。在成熟过程中,为使种子得以扩散,番茄生理、生化和细胞结构上的变化影响其外观、质地和风味[24]。果实成熟受乙烯的调控[25],包括乙烯依赖性和非乙烯依赖性调控基因同时发挥作用,其中乙烯依赖性基因负责番茄红素和芳香物质等的合成[26]。rin是一种番茄成熟突变体,rin基因与乙烯调控有关[27]。Picton等[28]从rin突变体差异cDNA文库中分离出一些与番茄成熟过程中代谢途径密切相关的成熟特异性基因。乙烯可促进成熟番茄中七叶皂苷A的积累[29],是乙烯可能调控甾体生物碱合成的一项有力证据。番茄成熟过程伴随着甾体生物碱的变化从而改变其口感,这其中的转录调控值得探索。研究证实了一个ERF家族转录因子GAME9可作用于多个α-番茄碱的合成基因,因此显著地调控甾体生物碱合成途径[30,31],但是GAME9仅在植物叶片和未成熟果实中表达。番茄成熟过程中甾体生物碱的种类与含量发生显著变化,但其受到哪些转录因子的调控尚未被发现,这有待进一步解析。
本课题组的前期研究通过对番茄的代谢物全基因组关联分析,在10号染色体上定位到一个与多个甾体生物碱含量显著相关的位点[32],并在该位点找到一个包含7个糖基转移酶、1个酰基转移酶、1个酰基辅酶A脱氢酶和1个细胞色素p450的基因簇,转录组分析表明,该基因簇上的基因均在红果时期特异表达[32]。糖基转移酶在甾体生物碱合成中发挥重要作用[33]。筛选基因簇上所有注释的糖基转移酶,发现存在一个关键的候选基因Solyc10g085230,与七叶皂苷A的含量呈显著相关。其最初是从rin突变体差异cDNA文库中分离出的成熟特异性基因,并命名为SlERT1b[28]。有报道称SlERT1b的功能可能与果实成熟密切相关[28],本课题组推测SlERT1b很可能在成熟过程甾体生物碱的合成中发挥关键作用。本研究从转基因水平,包括超表达和RNA干扰基因沉默,解析SlERT1b基因的生物学功能,并研究乙烯是否影响成熟过程中的甾体生物碱代谢,以及其中的转录调控关系,为完善番茄果实中甾体生物碱合成途径提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 植物材料 栽培种番茄（Solanum lycopersicum cv. MicroTOM）种子购自PanAmerican Seed公司（美国）,于2020年秋至2021年春种植于海南大学热带农林实验基地。本氏烟草（Nicotiana benthamiana）种子由本实验室提供,种植于海南大学代谢生物学实验室室内光照培养箱。
1.1.2 载体和菌株 本研究使用的载体包括Gateway克隆入门载体pDONR207,植物双元表达载体pBI121,植物双元超表达载体pK2GW7,植物双元RNA干扰基因沉默载体pK7GWIWG (II),酵母单杂交载体pHIS2和pGADT7和烟草LUC转录激活载体PJG094,均由本实验室提供。所用大肠杆菌菌株T1、农杆菌菌株GV3101和酵母菌株Y187感受态细胞均购自上海唯地生物技术有限公司。
1.1.3 试剂和仪器 提取RNA的TransZol试剂和一步法反转录试剂盒购自北京全式金生物技术有限公司,限制性内切酶XbaⅠ、SacⅠ和T4连接酶购自NEB（北京）有限公司,Gateway克隆体系BP酶和LR酶购自赛默飞公司,乙烯利购自北京索莱宝科技有限公司,1-甲基环丙烯（1-MCP）购自上海源叶生物科技有限公司,PCR和qPCR引物由北京擎科新业生物技术有限公司合成,qPCR使用ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix购自诺唯赞公司,酵母转化试剂盒（Frozen-EZ Yeast Transformation II）购自ZYMO RESEARCH公司（美国）,双荧光素酶报告分析系统试剂盒（Dual-Luciferase® Reporter Assay System）购自Promega公司（美国）。实时荧光定量PCR仪为赛默飞公司产品型号为QuantStudio 7 Flex,冷冻干燥机为CHRIST公司产品型号为Delta 2-24 LSCplus,代谢物检测使用AB SCIEX公司的液相色谱质谱联用仪器QTRAP 6500+,酶标仪为赛默飞公司产品型号为Varioskan LUX。
1.1.4 番茄遗传转化培养基 番茄种子萌发使用T0培养基,为1/2 MS培养基;预培养及共培养使用T1培养基,为添加有1 mg/L 6-苄氨基嘌呤和0.1 mg/L吲哚-3-乙酸的MS培养基;配制侵染液首先准备活化的OD600值约0.5的农杆菌,经过4 ℃离心后用添加40 mg/L乙酰丁香酮和2 g/L葡萄糖的MS液体培养基重悬菌体,并稀释到OD600值为0.1~0.2方可使用;诱导生芽使用T21培养基,为添加有10 mg/L卡纳霉素、200 mg/L特美汀、1 mg/L玉米素和0.1 mg/L吲哚-3-乙酸的MS培养基;诱导芽伸长使用T22培养基,为添加有10 mg/L卡纳霉素、200 mg/L特美汀、1 mg/L赤霉素和0.5 mg/L玉米素的MS培养基;诱导生根使用T3培养基,为添加有5 mg/L卡纳霉素、150 mg/L特美汀和2 mg/L吲哚-3-丁酸的1/2 MS培养基。

1.2 方法

1.2.1 基因克隆和转基因载体构建 提取MicroTOM番茄红果组织的RNA,并对RNA进行反转录,得到果肉cDNA用于基因克隆。下载番茄基因的参考序列（https://solgenomics.net）,并使用Oligo 7设计引物,以cDNA为模板对候选基因进行PCR扩增,PCR程序为：94 ℃预变性2 min;98 ℃变性15 s,56 ℃退火30 s,68 ℃延伸90 s,32个循环;68 ℃延伸5 min。琼脂糖凝胶电泳分析扩增结果。通过BP酶连接进pDONR207并送擎科公司进行测序。利用限制性内切酶XbaⅠ和SacⅠ对pBI121载体进行37 ℃酶切过夜得到线性化载体,同时使用带XbaⅠ和SacⅠ的酶切接头序列的引物扩增适应于Gateway体系的attR1-attR2序列,使用T4连接酶16 ℃过夜连接线性化载体和片段,得到适应于Gateway体系的带有35S启动子的植物双元超表达载体pBI121-OE。使用LR酶将目标基因连接进pBI121-OE得到超表达载体。再在候选基因上扩增一段约250 bp的片段连接进pK7GWIWG(II)得到RNAi载体。
1.2.2 转基因番茄的构建 利用得到的超表达和RNAi载体进行番茄遗传转化。用5%次氯酸钠和75%乙醇溶液对MicroTOM番茄种子进行消毒后在T0培养基上培养。约7 d后取下番茄子叶并切下叶尖和尾部,在T1培养基培养2 d,准备侵染液侵染叶片15 min,接着置于T1培养基上暗培养2 d,然后置于T21培养基在16 h光照/8 h黑暗条件下培养,每隔14 d更换1次培养基,待幼芽长至2 cm时置于T22培养基中,待幼芽生长成形,将其切下置于T3培养基中,培养至幼苗长出根和新叶后移栽至室外。
1.2.3 实时荧光定量PCR 使用基因特异性引物,以TIP41作为内参基因[34]。扩增反应体系和程序参照SYBR qPCR Master Mix说明书,反应总体系为10 μL,200 ng/μL的cDNA 1 μL,浓度10 μmol/L的上下游引物各0.25 μL,SYBR Mix 5 μL,双蒸水3.5 μL。反应程序为：50 ℃ 2 min;95 ℃ 10 min;95 ℃ 15 s,60 ℃ 1 min,40个循环;95 ℃ 15 s;60 ℃ 1 min;95 ℃ 15 s。采用2-ΔΔCT法计算相对表达量。
1.2.4 代谢物的检测 （1）组织的选取：超表达和RNAi植株的甾体生物碱在不同组织中的含量检测：在获得SlERT1b的超表达和RNAi基因沉默的阳性植株后,取其叶片（L）、成熟绿色果实（MG）、破色期果实（Br）、破色期后5 d果实（Br+5）和破色期后10 d（Br+10）果实组织提取代谢物。乙烯处理后甾体生物碱的含量检测：乙烯利（ET）处理组选择成熟绿色果实（MG）和破色期果实（Br）组织提取代谢物,乙烯抑制剂（1-MCP）处理组选择破色期果实（Br）组织提取代谢物。番茄果实发育的不同时期不同组织中的甾体生物碱含量检测：采集番茄叶片（L）、未成熟绿果（IMG）、果肉为固体状态的成熟绿果（MG1）、果肉介于固体和凝胶状态的成熟绿果（MG2）、果肉为凝胶状态的成熟绿果（MG3）、介于MG2和MG3的成熟绿果（MG2-3）、破色期果实（Br）、破色后5 d果实（Br+5）、破色后10 d果实（Br+10）和破色后15 d果实（Br+15）组织提取代谢物。
（2）提取与检测：采集番茄组织样品在液氮中速冻,使用冷冻干燥机进行冻干处理7 d,已冻干的样品在研磨仪上研磨至粉末,称取0.05~0.1 g粉末至2 mL离心管中,加入70%甲醇涡旋30 s后置于4 ℃冰箱,每隔10 min后涡旋1次,共3次,放置在4 ℃冰箱过夜,过夜后的样品于4 ℃ 12 000 r/min离心10 min,吸取上清液过滤至进样瓶中保存。在QTRAP 6500+仪器中用Scheduled MRM扫描模式进行检测。
1.2.5 激素处理 分别对野生型MicroTOM番茄进行乙烯利和乙烯抑制剂1-MCP两组处理,每组处理至少3株野生型。选取破色期后2 d的果实和成熟绿色果实作为对照,实验组分别对相应的植株进行处理,植株上需要至少有1个破色期果实。对植株喷洒乙烯利溶液使密闭容器中含有500 mg/L乙烯气体;喷洒1-MCP溶液使密闭容器中含有1 mg/L 1-MCP气体。待植株上水珠自然滴落为止,处理时间48 h,处理完的植株取破色期果实和成熟绿色果实,所有样品在液氮中速冻并在-80 ℃冰箱保存备用。
1.2.6 甾体生物碱合成的转录调控验证 首先预测了SlERT1b启动子上可能存在的转录因子结合元件,结合共表达和转录组分析[35]可能的转录因子,对候选转录因子进行酵母单杂交实验,并进行烟草双荧光素酶报告实验。转录组数据选用如下组织：R85（番茄萌发后85 d的根）、S85（萌发后85 d的茎）、L85（萌发后85 d的叶）、IMG、MG、Br和Br15。

2 结果与分析

2.1 候选基因的分析

经系统进化树分析（MEGA6）,结果发现SlERT1b基因是茄科植物所特有的,并且与栽培型马铃薯的亲缘关系最近（图1A）。通过查阅番茄表达谱数据库（http://ted.bti.cornell.edu/）,发现SlERT1b在破色期及之后的果实中特异性表达（图1B）。同时比较了不同番茄品种中主要甾体生物碱的含量,发现驯化后的栽培种番茄的含量低于野生型番茄（图1C）。
图1 番茄候选基因SlERT1b的进化树和表达模式分析

A：SlERT1b的进化树分析;B：SlERT1b在不同组织中的相对表达量;C：α-番茄碱和七叶皂苷A在不同品种番茄中的相对含量;**表示差异极显著（P<0.01）。

Fig. 1 Phylogenetic tree and expression pattern analysis of tomato candidate gene SlERT1b

A: Phylogenetic tree analysis of SlERT1b; B: Relative expression of SlERT1b in different tissues; C: The relative contents of α-tomatine and esculeoside A in different varieties of tomatoes; ** indicate extremely significant difference (P<0.01).

2.2 番茄转基因的构建

根据α-番茄碱在果实成熟中生成七叶皂苷A等皂苷类物质,中间相差4步推测的化学反应,分别有4个酶促反应（图2A）。GAME31参与该过程的第1步是羟化反应,推测剩下3步反应分别是酰基化、羟化和糖基化反应,由于候选基因是一个糖基转移酶基因,因此推测其参与最后一步糖基化反应。
图2 推测的甾体生物碱合成途径与SlERT1b的转基因验证

A：推测的甾体生物碱合成途径,红色字体为基因SlERT1b;B：超表达载体pBI121-OE的构建过程;C：番茄遗传转化过程;D：SlERT1b超表达材料与空载体材料相比的相对表达量;E：SlERT1b RNAi材料与空载体材料相比的相对表达量。*表示与空载体材料相比差异显著（P<0.05）,**表示与空载体材料相比差异极显著（P<0.01）。

Fig. 2 Putative synthesis pathway of steroidal glycoalkaloids and transgenic verification of SlERT1b

A: The putative synthesis pathway of steroidal glycoalkaloids, the red font is gene SlERT1b; B: Construction of overexpression vector pBI121-OE; C: The process of tomato genetic transformation; D: Relative expression level of SlERT1b overexpression plants compared with empty vector plants; E: Relative expression level of SlERT1b RNAi plants compared with empty vector plants. * indicates significant difference (P<0.05) compare with empty vector; ** indicate extremely significant difference (P<0.01) compare with empty vector.

由于该步反应的底物酰基羟基番茄碱（acetoxy-hydroxytomatine）难以获取,所以本研究未进行体外验证实验。通过酶切酶连改造得到超表达载体pBI121-OE（图2B）。对SlERT1b进行了转基因验证,经过番茄的遗传转化过程获得了SlERT1b的超表达和RNAi株系（图2C）。另外发现改变番茄中SlERT1b的表达,与野生型植株相比不会影响其正常生长发育。由于基因在红果中特异表达,收集了转基因株系红果的RNA并进行实时荧光定量PCR检测,其中OE-11和OE-25为超表达株系的阳性植株,Rnai-19和Rnai-25为RNAi株系的阳性植株（图2D、图2E）。

2.3 甾体生物碱含量的检测

根据多反应监测-触发增强子离子扫描模式（MRM-IDA-EPI）确定了α-番茄碱、羟基番茄碱（hydroxytomatine）、酰基番茄碱（acetoxytomatine）、酰基羟基番茄碱和七叶皂苷A的碎片模式和保留时间。由于脱氢番茄碱及其下游物质的含量远低于α-番茄碱及其下游物质,所以未能成功检测到。分别对SlERT1b的超表达和RNA干扰基因沉默植株检测了5个不同组织的α-番茄碱等5种物质的相对含量。发现超表达植株的叶片、成熟绿色果实和破色期果实中的酰基羟基番茄碱含量显著低于空载体植株,RNAi植株的破色期后5 d和破色期后10 d的酰基羟基番茄碱含量显著高于空载体植株（图3A）。另外发现超表达植株在叶片和成熟绿色果实中的七叶皂苷A含量显著高于空载体植株,而RNAi植株在叶片、破色期果实、破色期后5 d和破色期后10 d的七叶皂苷A含量显著低于空载体植株（图3B）。
图3 超表达和RNAi植株的甾体生物碱在不同组织中的含量

*表示与空载体材料相比差异显著（P<0.05）,**表示与空载体材料相比差异极显著（P<0.01）。

Fig. 3 Contents of steroidal glycoalkaloids in overexpression and RNAi plants in different tissues

* indicates significant difference compare with empty vector (P<0.05); ** indicate extremely significant difference compare with empty vector (P<0.01).

2.4 乙烯参与甾体生物碱合成的调控

乙烯处理后成熟绿色果实的α-番茄碱和羟基番茄碱含量无显著变化,酰基番茄碱的含量显著下降,酰基羟基番茄碱和七叶皂苷A的含量显著升高。乙烯处理后的破色期果实除七叶皂苷A含量升高不显著,其他都显著升高。乙烯利抑制剂1-MCP处理后的破色期果实除七叶皂苷A和二羟基番茄碱（di-hydroxytomatine）含量显著降低外,其他含量均显著升高（图4A~图4F）。
图4 乙烯处理改变甾体生物碱的含量和相关基因的表达

*表示实验组与对照组相比差异显著（P<0.05）;**表示实验组与对照组相比差异极显著（P<0.01）。

Fig. 4 Ethylene treatment changing contents of steroidal glycoalkaloids and expression of related genes

* indicates significant difference between the value in the control group and that in the experimental group (P<0.05); ** indicate extremely significant difference between the value in the control group and that in the experimental group (P<0.01).

为了解乙烯处理是否是通过影响SlERT1b的表达进而影响代谢物的含量,提取了对照组和实验组的果实RNA并进行实时荧光定量PCR检测。结果发现乙烯处理后不论是成熟绿色果实还是破色期果实,SlERT1b的相对表达量比对照显著升高,而1-MCP处理后其表达量降低（图4G）。PG2和E4是乙烯响应基因,受到乙烯的诱导表达,表达量变化符合预期,证明乙烯处理有效（图4H、图4I）。

2.5 果实成熟过程甾体生物碱合成的转录调控

本研究预测SlERT1b启动子上可能存在的转录因子结合元件,红色区域为G-Box元件,绿色区域为GCC-Box元件（图5A）。结合共表达和转录组分析,找到一些可能与SlERT1b互作的转录因子,发现SlJERF1与SlERT1b的表达谱在一个聚类中（图5B）。对其中4个候选转录因子进行酵母单杂交实验,分别为SlJERF1、SlJERF1-like、SlAREB2和GAME9与SlERT1b启动子的组合,发现SlJERF1可以在三缺培养基上生长,说明SlJERF1与SlERT1b启动子区存在互作（图5C）。另外进行了烟草双荧光素酶报告实验,结果发现SlERT1b可被SlJERF1、SlAREB2和GAME9反式激活（图5D）。
图5 番茄成熟过程中甾体生物碱的转录调控验证

A：SlERT1b的启动子分析;B：候选转录因子表达谱热图;C：酵母单杂交实验结果;D：烟草双荧光素酶报告实验结果。*表示差异显著（P<0.05）,**表示差异显著（P<0.01）

Fig. 5 Verification of transcriptional regulation of steroidal glycoalkaloids during tomato ripening

A: Promoter analysis of SlERT1b; B: Expression profile heat map of candidate transcription factors; C: Yeast one-hybrid experiment results; D: Tobacco Dual Luciferase Reporter Assay experiment results. * indicate significant difference (P<0.05), and ** indicate extremely significant difference (P<0.01).

2.6 番茄果实发育的不同时期不同组织中甾体生物碱的含量变化

在番茄果实发育的不同时期,α-番茄碱及其下游的4种物质羟基番茄碱、酰基番茄碱、酰基羟基番茄碱和七叶皂苷A发生了动态变化。检测了所有组织中的5种甾体生物碱的含量变化,首次发现5种甾体生物碱的含量在发育过程中依次出现峰值,α-番茄碱和羟基番茄碱主要存在于未成熟绿色果实,酰基番茄碱主要存在于MG2和MG3之间,酰基羟基番茄碱主要存在于破色期果实,而七叶皂苷A主要存在于破色后的果实中（图6A）。此外,α-番茄碱在MG3时的含量较其他时期较高,羟基番茄碱在破色期的含量较其他时期较高,推测在这一阶段,α-番茄碱被诱导大量合成,随之转化为羟基番茄碱。存在一种二羟基番茄碱,它在α-番茄碱的结构上加上2个羟基（图6C）。通过检测发现二羟基番茄碱在破色期及之后的阶段显著积累,推测在破色期含量异常上升的羟基番茄碱被转化为二羟基番茄碱（图6B）。
图6 甾体生物碱的组织分布差异和其代谢通路

A：各组织的5种甾体生物碱含量的热图,红色和蓝色表示相对含量较高或较低;B：二羟基番茄碱在各组织中的相对含量;C：二羟基番茄碱的结构式。

Fig. 6 Differences in tissues of steroidal glycoalkaloids and its metabolic pathways

A: Heat map of the contents of five steroidal glycoalkaloids in each tissue. Red and blue indicate high or low relative contents; B: The relative contents of Di-hydroxytomatine in various tissues; C: The structural formula of Di-hydroxytomatine

3 讨论

本研究验证了一个参与番茄成熟过程甾体生物碱合成的糖基转移酶SlERT1b。由于酰基羟基番茄碱是SlERT1b的潜在上游底物,而七叶皂苷A是它的潜在下游产物,本研究结果初步证明SlERT1b发挥着催化酰基羟基番茄碱生成七叶皂苷A的糖基转移酶活性,因此可以使果实中高毒性的α-番茄碱减少,低毒性的七叶皂苷A等皂苷类物质增加。可以推测,植物在发育早期,叶片和未成熟果实中的α-番茄碱可以有效地防止昆虫等的侵害。在发育的后期,成熟的果实中带苦味的α-番茄碱向不带苦味的七叶皂苷A等物质的转变使果实适宜食用,因而可以吸引动物的取食,使种子得以传播。在对SlERT1b进行系统发育树分析后发现该基因是茄科植物中特有的,仅存在于番茄、马铃薯、辣椒和烟草等。其中与马铃薯中的同源基因同源性最高。我们推测马铃薯的同源基因可能也具有类似的甾体生物碱糖基转移酶活性。
番茄果实的成熟伴随着肉眼可见的颜色、质地及其中的代谢物等变化,这一过程通常是由于乙烯等激素的产生而发生。类胡萝卜素如番茄红素在成熟番茄中受到乙烯的诱导而大量积累[36],还有诸多糖、酸和挥发物在成熟过程中被合成,使得果实具有良好的口感和风味[37]。番茄作为一种呼吸跃变植物,拥有2套乙烯调节系统,系统1在全部组织中保持基础的乙烯水平,系统2在果实成熟时大量生成乙烯,进而影响整个成熟过程[38]。乙烯积累诱导了一系列果实成熟相关的基因,进而改变番茄的颜色、质地及代谢物等[39,40]。在本研究的乙烯及1-MCP处理实验中,相关的甾体生物碱含量被显著地上调或下调。其中,乙烯处理后的成熟绿色果实的酰基番茄碱含量下降,而二羟基番茄碱含量上升,他们拥有共同的上游物质羟基番茄碱,这意味着乙烯的处理可能激活了一种潜在的羟化酶,使得代谢途径从主要合成酰基番茄碱变为合成二羟基番茄碱,而下游物质酰基羟基番茄碱和七叶皂苷A的含量上升意味着二羟基番茄碱可以继续合成下游物质。因此,乙烯可能诱导这一代谢途径的所有羟化酶和糖基转移酶,而其中的酰基转移酶不能被其诱导。先前的研究认为一个酮戊二酸双加氧酶GAME31可以催化α-番茄碱合成羟基番茄碱,但同时也指出其在栽培种番茄中基因表达量较低[22]。本研究进行了实时荧光定量PCR发现GAME31不论是正常水平还是乙烯处理水平均没有表达,因此认为GAME31可能不是栽培种番茄中的甾体生物碱羟化酶。另外,在本研究进行的同时,有一项研究也验证了SlERT1b能够参与这一糖基转移反应[41]。虽然这一甾体生物碱合成途径中只有SlERT1b的功能已知,尚不确定其他步骤是由哪些酶催化的,但是本研究证明了乙烯可以影响这一代谢途径,这将为今后的研究提供一定的理论基础。
转录因子在转录调控中发挥重要作用,GAME9是甾体生物碱合成中已被报道的最重要的转录因子,在叶片和绿果等不可食用组织中特异表达,参与甾体生物碱合成途径的调控[30]。但是在番茄成熟过程中,并没有报道其合成的调控机理。本研究发现SlJERF1、SlAREB2和GAME9均对SlERT1b有调控作用,但是GAME9的表达模式不同于SlERT1b,因此不能确定其在植物中发挥调控SlERT1b的功能。SlJERF1是一个可被茉莉酸、乙烯、脱落酸和盐胁迫诱导表达的ERF家族转录因子[42],SlAREB2是一个响应脱落酸信号的转录因子,但其功能尚不清楚[43,44]。这些结果可以证明SlJERF1、SlAREB2和GAME9可以在转录水平上调控SlERT1b。但目前尚不确定这些转录因子是否为成熟过程中影响甾体生物碱合成的最主要转录因子,有待今后研究。

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