番茄是研究植物代谢多样性和环境适应的理想模型，也是全球价值最高的果蔬作物之一。现代栽培番茄是从其野生祖先潘那利番茄驯化而来的，在育种过程中番茄的产量得到大幅的提升，但面临营养品质下降、风味丧失和抗性减弱的问题。深入解析番茄代谢多样性与环境适应性的协同调控机制，可为作物营养品质改良和高抗优质新品种培育提供理论参考和遗传资源。
近日，国际著名期刊Molecular Plant（TOP一区，IF=27.5）在线发表了海南大学王守创教授团队题为“Two gene clusters and their positive regulator SlMYB13 that have undergone domestication-associated negative selection control phenolamide accumulation and drought tolerance in tomato”的研究论文，揭示了经过驯化负选择的两个酚胺基因簇及其正调控因子SlMYB13控制番茄中酚胺的积累和耐旱性的分子机制。
图1 酚胺BGC11和BGC7基因簇的定位与鉴定
该研究对401份番茄群体材料的酚胺物质进行了检测，并利用基于代谢物的全基因组关联分析（mGWAS）定位到番茄11号与7号染色体两个酚胺生物合成基因簇（BGC11和BGC7）。后续验证了两个基因簇的生物功能，发现BGC11与腐胺衍生酚胺的生物合成和修饰有关，而BGC7则负责亚精胺衍生酚胺的生物合成和转运（图1）。研究者通过共表达网络分析，鉴定到一个MYB转录因子SlMYB13，可以正向调节番茄中的BGC11和BGC7，突出了其在酚胺积累与提高耐旱性的作用。
图2驯化相关的两个基因簇（BGC11和BGC7）和SlMYB13调节番茄耐旱性的模型
研究者进一步发现BGC11和BGC7的核心组分先后出现在植物登陆进化过程中，并在适应性分化过程中逐步完善。又观察到SlMYB13、BGC11和BGC7 在番茄育种过程中受到了驯化选择，进而出现了两种主要的单倍型组合：HapA和HapB。其中，含有HapB的品种主要分布于PIM亚群中，与高酚胺含量的密切相关，且HapB品种的耐旱性明显高于HapA品种。这些结果说明，在番茄的驯化和改良过程中，HapB的消失可能是导致现代番茄栽培品种耐旱性降低的众多因素之一（图2）。综上所述，在番茄植株的驯化和改良过程中，具有抗旱性的HapB（BGC11和BGC7核心组分与SlMYB13组合的高酚胺含量单体型）被负向选择，进而影响了番茄的耐旱性。
海南大学博士研究生曹鹏为第一作者，海南大学杨君副教授为共同第一作者和共同通讯作者，海南大学王守创教授为该论文的通讯作者。感谢海南大学罗杰教授、中国农科院深圳农业基因组所黄三文院士、山东农业大学李传友研究员、德国明斯特大学Jörg Kudla教授、华中农业大学严建兵教授和熊立仲教授对本研究给予了重要的指导和帮助。本研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、海南省重点研发和海南省院士创新中心平台等项目的资助。
近期，王守创团队与合作者在作物代谢多样性与环境适应性领域取得了系列进展，构建了首个园艺作物多维组学代谢互作网络，为解析重要天然产物的生物合成和调控提供了宝贵的资源；相关成果以A metabolomics study in citrus provides insight into bioactive phenylpropanoid metabolism为题发表在Horticulture Research（TOP一区，IF=8.7）期刊上。该团队进一步利用该互作网络首次发现并完整解析了天然他汀类代谢物—麦利他汀的代谢途径，并实现异源合成，不仅增加了人类对其代谢合成步骤的认识，也为合成生物学的应用提供了理论基础，以便人类能够更加高效的获得这类重要的天然药用代谢产物；相关成果以Elucidation of the melitidin biosynthesis pathway in pummelo为题发表在Journal of Integrative Plant Biology（TOP一区，IF=11.4）期刊上。另外，该团队利用多组学整合分析揭示了禾本科作物在干旱胁迫下的代谢变化规律，为优质高抗新品种的培育提供了理论依据和遗传资源，相关成果以Common and specific genetic basis of metabolite-mediated drought responses in rice 为题发表在Stress Biology期刊上。
