番茄果实花斑果肩中色素体发育与代谢物积累的改变

《Horticulturae》：Chromoplast Development and Metabolite Accumulation Are Altered in Variegated Shoulders of Tomato Fruits

　　

叶绿体发育及叶绿体向有色体的转变影响果实的发育与品质。为进一步理解果实着色对果实品质的影响，研究人员在显微结构、色素、转录组和代谢水平上对果肩颜色不同的番茄果实进行了研究。与果肩着色均匀（uniformly colored shoulder, US）的果实相比，绿色花斑果肩I（green variegated shoulder I, VSI）果实中叶绿体降解不完全，且VSI与黄色花斑果肩II（yellow variegated shoulder II, VSII）果实中质体小球（plastoglobuli, PGs）的数量均显著增加。代谢物分析表明，VSI果实中可溶性固形物、总有机酸和维生素C含量显著升高；尤其是VSI和VSII果实中的蔗糖积累量均增至US果实的5倍以上。果肩色素含量测定结果显示，VSI和VSII果实的番茄红素含量均显著低于US果实，而VSI果实的叶绿素含量较高。转录组分析揭示，差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）显著富集于糖代谢、类胡萝卜素生物合成、脂质代谢和非生物胁迫响应相关通路。综上所述，番茄果实花斑果肩的形成与叶绿体向有色体转变的缺陷以及色素和代谢物积累的改变有关。

番茄（Solanum lycopersicum）果实成熟是一个复杂的生理过程，最显著的变化之一是果实颜色由绿转红，其核心细胞学事件是叶绿体向有色体的不可逆转变，涉及叶绿素的有序降解、类囊体膜系统重塑以及番茄红素的合成与积累。叶绿体发育和叶绿体向有色体的转变直接影响果实发育与品质。当该转变受阻时，果实果肩会出现花斑表型：部分区域保持绿色，其他区域呈黄色或浅红色。然而，花斑果肩表型背后的代谢与发育基础尚不清楚，花斑表型源于色素体分化局部缺陷、色素代谢改变还是两者共同作用，以及糖代谢和胁迫相关通路的作用程度，均缺乏系统研究。

为此，研究人员以果肩着色均匀（US）及两种花斑果肩类型（绿色花斑果肩I，VSI；黄色花斑果肩II，VSII）的栽培番茄品种"Jinuobili"果实为材料，从显微结构、色素、转录组和代谢水平进行系统比较，将色素体超微结构改变与代谢及转录变化联系起来。研究发现，花斑果肩的形成与叶绿体向有色体转变的缺陷以及色素和代谢物积累的改变有关，增进了对果实着色异常与品质变化机制的理解。

研究人员采用透射电子显微镜（TEM）观察果肩表皮细胞及色素体超微结构；采用高效液相色谱（HPLC）测定类胡萝卜素含量，分光光度法测定叶绿素；采用气相色谱（GC）测定糖和有机酸；利用Illumina HiSeq PE150平台进行RNA-seq测序，以DESeq2鉴定差异表达基因（DEGs），并进行GO和KEGG富集分析；以实时荧光定量PCR（qPCR）验证关键DEGs表达。样本来源：番茄品种"Jinuobili"种植于中国湖北省宜昌市（110.723 E，30.584 N，海拔1690 m），取第二穗果顶完全转红的果实，按果肩颜色分为US、VSI、VSII三组，每组9个果实，均为同一遗传背景的SlGLK2 U/U纯合基因型。

**3.1 花斑番茄果肩表皮的超微结构改变**

通过石蜡切片和TEM观察发现，与US果实相比，VSI和VSII果实果肩表皮细胞层数显著增加（分别增加24%和30%），单位面积细胞数增多而细胞平均尺寸显著减小。VSI和VSII果实表皮细胞中色素体面积分别显著增加51.1%和44.5%，每个色素体中质体小球（PGs）数量分别显著增加105.6%和74.1%。值得注意的是，VSI果实果肩的叶绿体降解不完全，色素体内存在未降解的类囊体片层结构。

**3.2 花斑果肩番茄果实中糖和有机酸的积累**

代谢物测定显示，与US果实相比，VSI果实可溶性固形物含量显著增加17%，总有机酸含量显著增加34%，维生素C含量显著增加51%；VSII果实这两项指标无显著变化。三种表型间葡萄糖、果糖、柠檬酸和苹果酸含量均无显著差异。然而，VSI和VSII果实的蔗糖含量分别显著升高528%和506%，表明蔗糖异常积累是花斑果肩的共性代谢特征。

**3.3 花斑果肩番茄果实中类胡萝卜素和叶绿素的改变**

色素测定结果显示，VSI果实番茄红素含量显著降至US的63%，叶黄素含量显著增加53%，β-胡萝卜素无显著变化；总叶绿素、叶绿素a和叶绿素b含量分别显著高于US 6.5%、14.5%和1.5%，与VSI色素体中未降解的类囊体片层结构一致。VSII果实β-胡萝卜素和番茄红素含量分别显著降至US的66.7%和40.3%，叶黄素和叶绿素含量与US相当，表明其色素体已基本转变为有色体，但番茄红素合成严重受损。

**3.4 转录组分析揭示参与糖、类胡萝卜素和脂质代谢的差异表达基因**

转录组分析显示，VSI果实有894个DEGs（483个上调、411个下调），VSII果实有1189个DEGs（461个上调、728个下调），其中92个为各比较组共有。GO和KEGG富集分析表明，DEGs显著富集于糖代谢、类胡萝卜素代谢、脂质代谢以及植物激素信号转导、MAPK信号通路、谷胱甘肽代谢、茉莉酸（JA）介导的信号通路和防御应答等胁迫相关通路。研究人员还发现，SlGLK2、APRR2-like、PSY1、PDS、ZDS、CRTISO、SGR1、NYC1、CHRC和SlFBN1等色素体发育和色素代谢经典基因均未被鉴定为DEGs。选取6个在三个比较组中均差异表达的基因进行qPCR验证，其表达趋势与转录组数据一致。

**讨论与结论**

讨论指出，正常成熟果实中蔗糖含量较低，其快速周转是活跃库器官代谢的标志；花斑果肩中蔗糖异常积累可能抑制光合同化物的输入并扰乱细胞代谢，加剧色素代谢失调。花斑果肩类胡萝卜素含量低且色素体发育异常，表明色素体发育和类胡萝卜素生物合成途径可能未被功能性激活。DEGs富集于谷胱甘肽代谢、MAPK和JA信号等胁迫响应通路，提示花斑果肩细胞可能处于胁迫响应状态。生产条件下温度超过35°C持续一周以上、叶片过度修剪致果实暴露于强光等胁迫因素可能损害色素体发育，导致果实无法正常转红：当色素体基本完成转变但番茄红素合成不足时果肩呈黄色（VSII）；当早期叶绿素降解也不完全时，果肩因叶绿素残留而呈绿色（VSI）。研究局限性为仅采集单一成熟期样品，未监测发育动态，且未对关键DEGs进行功能验证。研究结论翻译如下：番茄果实花斑果肩的形成与叶绿体向有色体转变的缺陷以及色素和代谢物积累的改变有关。