遗传转化和靶向代谢组学技术筛选出调控辣椒红素合成关键通路基因的候选转录因子CaLSH10

近日，北京大学现代农业研究院联合云南大学农学院、新疆农业科学院等在Plant Communications期刊上发表研究论文，题为”An ALOG family transcription factor promotes capsanthin production by activating the expression of Capsanthin-Capsorubin Synthase gene in pepper”。

该研究利用遗传转化和靶向代谢等技术，筛选到了一个调控辣椒红素合成关键通路基因的候选转录因子CaLSH10，属于ALOG（拟南芥光敏下胚轴蛋白1 /水稻G1）转录因子家族，含保守ALOG结构域，可以结合辣椒红素合成通路基因PSY1、PSY2、ZEP、CCS调控辣椒红素合成，为培育高辣椒红素辣椒品种提供基础。百迈客生物为该研究提供了靶向代谢组检测服务。

研究背景

辣椒（Capsicumspp.）是全球广泛种植的蔬菜作物，但与其远缘作物番茄相比，辣椒基因功能分子机制的基础研究进展严重滞后，导致辣椒绝大多数重要农艺性状的遗传基础尚不清晰，可用于辣椒育种的优良功能基因资源十分匮乏。

研究结果

辣椒红素积累是辣椒特有的性状，直接决定果实商品品质。为筛选调控辣椒红素合成关键通路基因的候选转录因子，该研究分别截取长度1.5kb的PSY1、PSY2、ZEP、CCS启动子作为诱饵，开展体外DNA Pull-down联合质谱（DNApd-MS）试验和荧光素酶（LUC）报告体系实验。筛选到一个转录因子CaLSH10，是CCS与PSY1基因的转录激活因子。

CaLSH10属于ALOG转录因子家族，含保守ALOG结构域，在植物界高度保守，但已解析功能的家族基因极少，尚无辣椒ALOG转录因子的相关研究报道。对辣椒CA59中12个ALOG基因表达分析；其中4个基因果皮高表达（TPM≥10），包含CaLSH10。蛋白结构比对显示CaLSH10与拟南芥LSH3的ALOG结构域相似度极高。

扩增DNA亲和纯化测序（ampDAP-seq）发现在辣椒基因组中鉴定到266360个高质量CaLSH10结合峰，其中约5%定位在基因启动子区。而辣椒红素合成通路基因PSY1、PSY2、ZEP、CCS的调控区均能被CaLSH10结合；荧光电泳迁移率变动分析（fEMSA）验证CaLSH10可特异性结合CCS启动子上的LRM双链DNA，不结合单链探针。

微量热泳动（MST）试验与荧光素酶报告试验进一步证实CaLSH10是可特异性结合双链DNA的ALOG家族转录因子。

CaLSH10过表达株系果实形态、单果重无明显差异；果实中辣椒红素含量显著上升。qPCR显示，过表达株系果皮CCS基因表达显著高于野生型，说明CaLSH10通过激活CCS表达促进辣椒红素生物合成。

CaLSH10抑制型转基因植株出现CCS表达下调、辣椒红素含量降低的表型。证明CaLSH10是辣椒红素合成必需基因；人为调控CaLSH10活性可培育高辣椒红素辣椒新品种。

ChIP-seq与RNA-seq实验显示CaLSH10在辣椒体内直接调控辣椒红素合成通路基因CCS表达，但不调控其它辣椒素合成基因表达。

研究总结

综上，该研究系统阐明了ALOG家族转录因子CaLSH10促进辣椒红素合成的核心功能与分子机理；遗传学证据表明CaLSH10是培育高辣椒红素辣椒品种的优良靶标基因。后续挖掘调控CaLSH10上游因子，可实现对该基因表达的精准人工调控。