《Plant Science》：Heterologous expression of
LbbHLH36 from
Lycium barbarum enhances carotenoid accumulation in tomato fruits via synergistic activation of biosynthesis and suppression of degradation
编辑推荐：
•本研究利用番茄异源体系表征了枸杞（Lycium barbarum）中LbbHLH36在类胡萝卜素代谢中的调控作用。•LbbHLH36的异源过表达显著提高了番茄果实中类胡萝卜素的积累水平。•LbbHLH36同时激活类胡萝卜素合成途径并抑制类胡萝卜素降解代谢。•LbbHLH36
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本研究利用番茄异源体系表征了枸杞（Lycium barbarum）中LbbHLH36在类胡萝卜素代谢中的调控作用。
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LbbHLH36的异源过表达显著提高了番茄果实中类胡萝卜素的积累水平。
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LbbHLH36同时激活类胡萝卜素合成途径并抑制类胡萝卜素降解代谢。
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LbbHLH36参与非生物胁迫响应，并将胁迫信号与类胡萝卜素代谢网络联系起来。
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LbbHLH36是茄科园艺作物营养品质育种中极具前景的基因资源。
引言
类胡萝卜素是一类重要的异戊二烯次生代谢产物，广泛分布于植物中，发挥多种生物学功能，包括光合作用中的光能捕获、对活性氧（ROS）的光保护以及作为脱落酸（ABA）合成的前体物质（Demmig-Adams等，2025）。作为人体必需的营养素，番茄红素和β-胡萝卜素等类胡萝卜素无法由人体从头合成，必须从植物性食物中获取（Ye等，2000）。番茄（Solanum lycopersicum）作为全球重要的园艺作物，是膳食类胡萝卜素的丰富天然来源，提高其类胡萝卜素积累水平已成为番茄品质育种和功能性食品开发的核心目标（Ronen等，1999）。同样，枸杞（Lycium barbarum）作为中国本土的传统药食两用植物，以其极高的类胡萝卜素含量而闻名，这不仅决定了其橙红色的外观和商品品质，也是评价其营养价值的重要指标（Shi等，2025）。
植物类胡萝卜素的合成与降解由一系列精密调控的酶促反应所主导。PSY催化类胡萝卜素合成途径的起始限速步骤，而PDS介导番茄红素向番茄脱氢酶的脱饱和反应，二者均被认为是促进类胡萝卜素生产的限速酶（Toledo-Ortiz等，2010；Qin等，2007）。相比之下，CCD4是降解途径中的关键双加氧酶，可将类胡萝卜素骨架裂解为小分子衍生物，从而负向调控类胡萝卜素的积累（Huang等，2009）。合成通量与分解代谢通量之间的动态平衡对细胞器中的类胡萝卜素含量具有关键影响，因此，靶向调控这些关键酶编码基因是提高植物类胡萝卜素积累的有效策略。
这些酶编码基因的表达受到多种转录因子家族的多层次转录调控。bHLH转录因子是植物中最大的家族之一，通过与靶基因启动子中的特异性顺式作用元件（如G-box）结合，形成同源二聚体或异源二聚体来激活或抑制下游结构基因的表达，广泛参与调控生长、发育、胁迫响应和次生代谢。
近年来，越来越多的bHLH基因被鉴定为参与类胡萝卜素代谢调控，其中一些正调控PSY、PDS和ZDS等合成基因的表达，而另一些则通过介导胁迫响应和激素信号间接影响类胡萝卜素的积累。其他转录因子家族，包括MADS-box、NAC、WRKY、AP2/ERF、R2R3-MYB、GLK、HY5/PIF和TCP，也共同参与构成了调控类胡萝卜素代谢的复杂转录调控网络（Stanley和Yuan，2019；Ma等，2025；Wu等，2020）。值得注意的是，在枸杞中的研究发现，AP2/ERF家族成员LbERF5.1特异性结合降解基因LbCCD4.1的启动子以促进其表达并加速类胡萝卜素降解（Zhao等，2023），而R2R3-MYB成员可同时在调控MEP途径前体基因和下游环化/羟基化基因，介导不同发育阶段类胡萝卜素组成的动态变化（Huang等，2022）。此外，番茄作为另一种草本茄科物种，拥有一个内源bHLH36同源基因SlbHLH36。迄今为止，SlbHLH36的生物学功能在很大程度上仍未被表征，很少有研究记录其在果实类胡萝卜素代谢或非生物胁迫响应中的作用。
尽管取得了上述进展，但枸杞中特定bHLH调控因子的功能机制在很大程度上仍未被探索。本实验室先前的转录组学研究将LbbHLH36（一个bHLH36同源转录因子）鉴定为"宁杞1号"和"宁杞7号"果实成熟阶段差异表达的基因，其表达趋势与类胡萝卜素途径中的关键结构基因（包括Z-ISO和CCD4）以及类黄酮途径基因F3′H的表达趋势一致（Liu等，2023）。进一步的整合转录组与代谢组学分析阐明了代表性枸杞品种中活性成分在不同果实发育阶段的动态调控网络（Liu等，2024）。这些发现表明LbbHLH36可能参与调控枸杞中类胡萝卜素和花青素的合成。然而，LbbHLH36的生物学功能、其靶向的下游结构基因以及它是否与其他转录因子或蛋白协同作用来调控次生代谢途径，尚未得到实验验证。此外，高温、低温、干旱和盐等非生物胁迫已知会影响植物次生代谢（Muthusamy和Lee，2024），胁迫信号可诱导bHLH基因表达并重塑类胡萝卜素代谢网络（Qian等，2021；Huo等，2025）。然而，LbbHLH36是否响应非生物胁迫并参与胁迫-类胡萝卜素代谢的串扰，目前仍不明确。
本研究通过根癌农杆菌介导的叶盘转化方法，将枸杞LbbHLH36基因在番茄模式品种"矮生番茄"（'Micro Tom'）中异源过表达，利用该品种植株矮小、生长周期短和转化效率高的特点（Matsukura等，2008）。我们系统分析了转基因番茄中LbbHLH36的组织特异性表达模式，其对多种非生物胁迫（高温、低温、干旱和盐）的表达响应，并进一步检测了转基因果实中类胡萝卜素代谢相关基因的表达水平、关键酶（PSY、PDS、CCD4）的活性以及总类胡萝卜素、番茄红素和β-胡萝卜素的积累量。本研究的目标有三个：一是阐明LbbHLH36在调控番茄类胡萝卜素代谢中的生物学功能；二是揭示LbbHLH36介导类胡萝卜素积累的酶学和分子机制；三是探索其对非生物胁迫的响应特征及其在胁迫-类胡萝卜素代谢串扰中的潜在作用。我们的研究结果将为番茄及其他作物的类胡萝卜素品质育种提供新的候选基因，并为阐明枸杞bHLH基因对植物类胡萝卜素代谢的异源调控机制奠定理论基础。
章节摘要
植物材料与生长条件
将Solanum lycopersicum'Micro Tom'（野生型WT）及LbbHLH36过表达（OE）植株种子在24 ℃的受控条件下进行栽培，光周期为16 小时光照/8 小时黑暗，相对湿度为60%。
以'Micro Tom'为野生型背景，通过农杆菌介导的叶盘转化获得11个独立的LbbHLH36过表达番茄转基因系。首先根据抗生素抗性对转基因事件进行初步筛选，随后通过LbbHLH36过表达验证
枸杞中LbbHLH36的时空表达
利用qRT-PCR检测了四个枸杞品种（宁杞1号、宁杞5号、宁杞7号和宁杞10号）在根、茎、叶、花和果实五个成熟阶段（S1-S5）中LbbHLH36的时空表达谱。各品种间的表达趋势高度一致。在营养组织和花中，转录水平极低，但在果实着色开始时（S1）显著上调，并在后期持续积累
讨论
类胡萝卜素不仅是植物光保护和激素合成所必需的，也是番茄（Solanum lycopersicum）等园艺作物的关键品质性状（Inbaraj等，2008；Wai等，2020）。通过转录因子介导的代谢调控来改良类胡萝卜素积累已成为作物分子育种的重要方向。本研究将枸杞（Lycium barbarum）的LbbHLH36基因（Gu等，2025）在番茄'Micro Tom'中异源过表达
结论
本研究通过农杆菌介导的叶盘转化方法，成功将枸杞的LbbHLH36基因在番茄'Micro Tom'中异源过表达。LbbHLH36在转基因番茄的生殖组织中优先表达，并受高温、低温、干旱和盐胁迫的显著诱导，呈时间依赖性响应。通过结合转录组学和代谢组学分析，发现LbbHLH36促进
未引用参考文献
（Gao等，2024；Liu等，2014；Liu等，2023；Lu等，2020；Ma等，2025；Shi等，2025；Wang等，2026；Wang等，2025；Wei等，2023；Wei等，2025）
基金项目
本研究得到国家自然科学基金（32460098）的资助。
作者贡献声明（CRediT）
刘硕（Shuo Liu）：撰写——初稿。刘媛（Yuan Liu）：指导。郑睿（Rui Zheng）：撰写——审阅与编辑。岳思军（Sijun Yue）：指导。赵建华（Jianhua Zhao）：指导。涉平（Ping She）：数据整理。胡世（Shi Hu）：调查研究。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。
刘硕（Shuo Liu）|涉平（Ping She）|胡世（Shi Hu）|岳思军（Sijun Yue）|赵建华（Jianhua Zhao）|刘媛（Yuan Liu）|郑睿（Rui Zheng）
