番茄风味物质6-甲基-5-庚烯-2-酮主效QTL 的精细定位及功能分析

Vegetable quality improvement is a hot research area. Tomato is one of the world's largest vegetable crops, and improving tomato flavor quality is a major bottleneck in modern tomato breeding. The decrease of 6-methyl-5-hepten-2-one (MHO) content in modern tomato fruit is one of the important reasons for its poor flavor, but the molecular mechanism of its accumulation is still unclear. In previous study, we identified the major QTL TMHO3(Tomato 6-Methyl-5-hepten-2-one Chromosome3) from the metabolomes and GWAS that has significant associations with MHO accumulation in tomato fruit. Analysis of fruit MHO content by means of GC/MS from the F2:3 population, the preliminary chromosomal location of the major gene in TMHO3 locus has been completed. Fine-mapping of TMHO3 will be conducted by analyzing the phenotypic and genotype of recombinant progeny. Comprehensively analyzing the genomic, variant, metabolome and transcriptome data, the candidate gene will be identified and cloned, and clarified the function by transgenic technology and CRISPR/Cas9 genome editing technology. In additional, markers linked to MHO accumulation will be developed to assist molecular breeding. Application of this project will reveal the mechanism of MHO accumulation in tomato fruit and realize of molecular design breeding for tomato flavor.

蔬菜品质改良是当前研究的热点领域。番茄是世界最大的蔬菜作物之一，提高番茄的风味品质是现代番茄育种的一大瓶颈。现代番茄果实中6-甲基-5-庚烯-2-酮（MHO）含量的降低是其风味下降的重要原因之一，但其积累的分子机制尚不清楚。课题组前期利用代谢组学和mGWAS 关联分析鉴定到了调控番茄果实MHO 积累的主效QTL 位点TMHO3。本项目利用GC/MS 技术对F2：3 家系分离群体单株的MHO 含量进行测定，现已完成主效基因TMHO3 的初定位。本项目拟通过重组单株后代的表型和基因型关联分析完成TMHO3 的精细定位，综合分析基因组、变异组、代谢组和转录组数据鉴定并克隆候选基因TMHO3，利用转基因技术和CRISPR/Cas9 基因组编辑方法对其功能进行深入研究，并开发相关分子标记辅助育种。该项目的开展与完成将揭示调控MHO 含量的遗传机理，为番茄风味的分子设计育种提供候选元件。

番茄是重要的蔬菜作物，深受消费者喜爱，然而现代番茄风味的降低却受到消费者的抱怨。研究表明番茄中有400多种挥发性物质，其中28种与消费者的喜好有关。与传统番茄相比，现代番茄有13种挥发性物质含量显著降低，这可能是现代番茄风味品质降低的重要原因。6-甲基-5-庚烯-2-酮（6-methyl-5-hepten-2-one，MHO）是降低的风味物质之一，其在果实中的积累可显著增加消费者对番茄的喜好，然而其在番茄中的代谢调控机制却鲜有报道。我们前期通过多组学分析发现，在3号染色体存在一个明显的调控位点，但具体的调控基因却不清楚。本项目中，我们通过图位克隆和转基因验证证明了八氢番茄红素合酶PSY1（Phytoene Synthases 1）对调控番茄果实MHO的积累起关键作用。为进一步明确PSY1基因对果实品质的调控作用，我们构建了3种非靶向代谢组检测方法，并注释了2000多种化合物用于后续研究。检测结果显示，与野生型番茄相比，在鉴定到的1045种挥发性物质、89种类胡萝卜素物质和1361种次生代谢物中，分别有236种、47种和217种物质在psy1突变体中显著差异积累。此外，28种影响消费者喜爱的挥发性物质中，有7种在突变体中发生了明显变化，这可能赋予了黄果番茄独特的风味。进一步研究发现，PSY1基因突变导致类胡萝卜素通路阻断后多种类胡萝卜素含量显著降低，而多种类黄酮物质则显著积累；瞬时沉默类黄酮合成关键基因CHS1后发现，类黄酮物质积累显著降低的同时，类胡萝卜素物质显著升高，说明番茄果实中类胡萝卜素和类黄酮通路代谢存在一个平衡机制，但具体的调控机制尚有待深入研究。