2020年6月15日，四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張陽/劉明春課題組聯(lián)合在Molecular Plant在線發(fā)表題為“MicroTom Metabolic Network：Rewiring Tomato Metabolic Regulatory Network throughout the Growth Cycle”的研究論文。通過選取小湯姆番茄（MicroTom）20個(gè)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期，結(jié)合廣泛靶向代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析，繪制了高分辨的番茄發(fā)育過程代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

番茄是世界范圍內(nèi)最受歡迎的果蔬之一，因其具有周期短、產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點(diǎn)，被視為具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的園藝作物。同時(shí)，由于番茄基因組較小，可利用的突變體資源和分子生物學(xué)工具多，也被視為經(jīng)典的模式植物，具有十分重要的科研價(jià)值。多年來，番茄重要代謝物的遺傳機(jī)制解析主要集中于對(duì)特定組織和品種間的差異分析，而對(duì)番茄生命周期代謝流的變化規(guī)律及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究較少。如果化合物或代謝途徑不在采樣組織中表達(dá)，則很難解析其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

為建立番茄生長(zhǎng)周期內(nèi)的代謝和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，該研究開發(fā)了一個(gè)時(shí)空高分辨率的番茄代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，通過整合番茄20個(gè)組織和發(fā)育時(shí)期的代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，繪制了番茄整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程中主要代謝變化的全景圖，為深入解析番茄主要代謝物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)，并為模式和非模式植物代謝調(diào)控的深入研究提供了新思路。

通過對(duì)番茄不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的根、莖、葉、花苞、花以及果實(shí)不同發(fā)育和成熟時(shí)期共20個(gè)組織進(jìn)行代謝組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析，廣泛靶向代謝組共檢測(cè)到540個(gè)代謝物，時(shí)空高分辨率轉(zhuǎn)錄組共檢測(cè)到31，256個(gè)表達(dá)基因。根據(jù)組織特異性表達(dá)模式，對(duì)代謝組進(jìn)行聚類分析，共得到分別對(duì)應(yīng)于番茄各組織不同發(fā)育時(shí)期的10個(gè)簇。以10個(gè)簇的代謝物為靶標(biāo)，對(duì)轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行共表達(dá)分析，經(jīng)過嚴(yán)格篩選，最終得到17，003個(gè)高度正相關(guān)并與代謝物具有一致表達(dá)模式的共表達(dá)基因。

通過選取番茄重要營養(yǎng)成分-黃酮類代謝途徑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SlF3'5'H與SlMYB75共表達(dá)相關(guān)性顯著，而與SlMYB12共表達(dá)相關(guān)性較低。結(jié)合雙熒光素酶實(shí)驗(yàn)，解釋了前人研究中SlMYB75和SlMYB12過表達(dá)的番茄果實(shí)分別呈現(xiàn)花青素積累的紫色和黃酮醇積累的橙黃色的原因。與此同時(shí)，通過共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)篩選到一個(gè)新的調(diào)控類黃酮代謝的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SlERF.G3-like。轉(zhuǎn)基因番茄果實(shí)和轉(zhuǎn)錄激活實(shí)驗(yàn)揭示了SlERF.G3-like作為黃酮類化合物新型轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控苯丙氨酸到類黃酮類化合物代謝途徑的分子機(jī)制。該研究也是番茄中首次報(bào)道乙烯響應(yīng)因子ERF參與類黃酮代謝的調(diào)控，豐富了ERF家族基因的生物學(xué)功能，也為進(jìn)一步完整解析類黃酮代謝轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

甾體生物堿類化合物作為番茄中的反營養(yǎng)成分，其代謝途徑的化合物和結(jié)構(gòu)基因主要聚集在共表達(dá)簇V中，并且簇V包含已報(bào)道的GAME基因簇，說明在該共表達(dá)數(shù)據(jù)中，相同代謝途徑的基因表達(dá)和代謝物積累在番茄生長(zhǎng)周期中具有顯著相關(guān)性。通過對(duì)甾體生物堿代謝途徑所在的簇V進(jìn)行深入分析，篩選到轉(zhuǎn)錄因子SlbHLH114。通過對(duì)果實(shí)特異性表達(dá)SlbHLH114的轉(zhuǎn)基因番茄果實(shí)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，SlbHLH114對(duì)甾體生物堿代謝途徑的調(diào)控范圍包括初級(jí)代謝的糖酵解途徑、甲羥戊酸途徑和次級(jí)代謝的環(huán)阿屯醇途徑、膽固醇合成途徑以及甾體生物堿代謝途徑。LC-MS結(jié)果表明，甾體生物堿類化合物也有不同程度的上調(diào)。結(jié)合雙熒光素酶實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SlbHLH114能夠結(jié)合代謝途徑結(jié)構(gòu)基因從而誘導(dǎo)其高表達(dá)。由此說明，SlbHLH114是控制甾體生物堿代謝途徑的新的正調(diào)控因子。

該研究的共表達(dá)數(shù)據(jù)是對(duì)當(dāng)前的番茄多組學(xué)資源的重要補(bǔ)充。先前的研究主要集中在比較不同個(gè)體、基因型和物種之間的特定組織。而該研究通過覆蓋番茄大多數(shù)組織和發(fā)育階段，提供了番茄整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)代謝變化和轉(zhuǎn)錄動(dòng)力學(xué)的高分辨率圖譜，可用于指導(dǎo)未來不同物種和種質(zhì)間比較的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)為番茄的精細(xì)化改良提供參考。同時(shí)，本項(xiàng)目的實(shí)施也為其他園藝作物的多組學(xué)研究提供了思路。

四川大學(xué)張陽研究員和劉明春研究員是共同通訊作者。四川大學(xué)馬濤教授、德國馬普學(xué)會(huì)Alisdair Fernie教授以及法國圖盧茲大學(xué)Mondher Bouzayen教授的團(tuán)隊(duì)參與了本課題的研究。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。