华中农业大学在读博士和已毕业博士(现为四川师范大学青年教师)发表《Plant Cell》,揭示光信号诱导土豆变青和茄碱合成的调控机制

近日，华中农业大学马铃薯团队在国际植物学期刊The Plant Cell发表题为“Bifurcation of StCRY1-StHY5 axis orchestrates blue light-enhanced glycoalkaloid and chlorophyll accumulation in potato tubers”的研究论文，该研究系统揭示了马铃薯块茎感知蓝光后同步启动叶绿素和茄碱合成的分子机制。果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室、湖北洪山实验室和华中农业大学园艺林学学院宋波涛教授为论文通讯作者。华中农业大学在读博士覃骏和团队已毕业博士景晟林（现为四川师范大学青年教师）为论文共同第一作者。

甾体糖苷生物碱（SGAs）是植物抵御害虫的化学武器，其通过抑制胆碱脂酶的活性造成肠道损伤、呼吸和运动中枢麻痹，因此人类误食也会引起生理不适或中毒。茄碱是马铃薯中广泛存在的一类甾体糖苷生物碱，经过长期驯化和品种改良，栽培马铃薯薯块中的茄碱含量已被降低到安全阈值以下。然而，当薯块在田间露出土层，或在储藏、运输以及销售过程中接触到光照，则会发生表皮变绿，并伴随茄碱大量积累，即俗称的“青头”和“采后绿变”。这种光响应现象不仅降低了马铃薯的商品率，也会导致采后品质下降和经济损失。目前，由一系列GAME（Glycoalkaloid metabolism）酶构成的茄碱生物合成通路已被研究得较为深入，但光信号如何诱导薯块转绿及茄碱合成尚不清楚。此外，叶绿素与茄碱合成被认为是两条相对独立的代谢途径，但光信号是独立还是协同激活这两个代谢途径，一直未被研究。

华中农业大学马铃薯团队通过基因敲除，蛋白互作和转录调控等研究构建了以蓝光受体StCRY1为开关、经核心转录因子StHY5向下分支的薯块绿变调控模式。StHY5受StCRY1调控并激活叶绿素合成基因表达，StHY5同时也正调控转录因子StMYB4，敲除StMYB4使得薯块茄碱含量降低，但不影响叶绿素的积累。因此，块茎的叶绿素和茄碱合成共享上游光受体开关、但下游调控途径不同（图1）。该研究首次系统阐明了光信号协调马铃薯块茎叶绿素和茄碱合成的分子机制，并揭示了薯块绿变过程中两个关键代谢途径的分支调控节点，不仅深化了对块茎绿变这一采后生理现象的认识，也为培育光钝感、低糖苷生物碱积累和长货架期的马铃薯新品种提供了理论基础和分子靶点。

图1 StCRY1–StHY5信号轴模块化调控块茎绿化和糖苷生物碱积累的工作模型

该研究得到了湖北省科技创新重点研发项目、湖北省种业高质量发展资金项目、国家现代农业产业技术体系马铃薯体系及四川省科技计划项目的支持。

【英文摘要】

Potato, the fourth largest food crop in the world, stores nutrients in underground tubers. However, light exposure induces tuber accumulation of chlorophyll and toxic steroidal glycoalkaloids (SGAs), an unwanted trait called tuber greening causes potato quality decline and parts of tuber inedible. Despite progress in enzymatic cascades governing SGAs biosynthesis, the regulatory scheme of SGAs and chlorophyll metabolism in light-exposed tubers persists as a critical knowledge gap. Here, we identify the blue light receptor StCRY1 plays a predominant role in light-induced tuber greening and SGAs elevation, which functions as a light-controlled transcriptional switch for genes involved in SGAs and chlorophyll biosynthesis. We show that transcription factor StHY5 acts downstream of StCRY1 to co-regulates both chlorophyll and SGAs metabolism. However, StMYB4, a transcription factor regulated by StHY5, promotes SGAs synthesis by directly binding to SGA biosynthetic genes without affecting chlorophyll homeostasis. Furthermore, StCRY1 employs a dual strategy by modulating StMYB4 expression and physically interaction with StMYB4 to regulate its transcriptional activity. Collectively, these findings uncover a modularly coordinated control of SGAs accumulation and chlorophyll biosynthesis by bifurcation of StCRY1-StHY5 axis, providing a promising strategy to concurrently curb light-induced tuber greening and glycoalkaloids accumulation.

论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koag218