番茄果实中类胡萝卜素合成与调控的研究进展

于菁文 张 奕 胡 鑫 潘阳露 潘 宇 张兴国 苏承刚

（西南大学园艺园林学院，南方山地园艺学教育部重点实验室，重庆 400715）

类胡萝卜素是四萜类脂溶性多烯色素中的一大类，广泛存在于自然界中。类胡萝卜素具有8 个异戊二烯单位，分子中含有1 个较长的碳碳双键的共轭键体系，这决定了类胡萝卜素可以经过一系列转化派生出生物体内的多种功能性物质。目前已经发现了超过800 种天然类胡萝卜素，颜色多呈红色到黄色，一般在波长300～600 nm 之间有吸收峰（Magdaong et al.，2014）。在番茄果实中，类胡萝卜素主要以番茄红素、叶黄素、β-胡萝卜素等形式存在，不仅对番茄生长发育过程中果实的颜色变化和多种植物激素的产生具有重要作用，还会影响番茄的外观及品质，进而影响其商品价值，同时，也对人体生长发育调控起着不可或缺的作用。本文综合阐述了番茄果实中类胡萝卜素变化规律和调控代谢网络，以化学调控和基因工程等技术手段为番茄的营养和品质改良奠定了理论基础。

1 番茄果实中的类胡萝卜素种类、分布与发育成熟过程中的含量变化

1.1 番茄果实中的类胡萝卜素种类与分布

在高等植物中，类胡萝卜素的主要存在形式有β-胡萝卜素、叶黄素、番茄红素、β-隐黄质、八氢番茄红素、六氢番茄红素等。这些不同的色素主要分布在花、根、种子、果实等植物的 质 体 中（Namitha & Negi，2010；Ruizsola & Rodríguezconcepción，2012）。根据分子组成中氧原子的有无，类胡萝卜素被分为胡萝卜素类和叶黄素类，后者在此基础上又分为胡萝卜醇、胡萝卜酯、胡萝卜酸3 个亚类（殷林 等，2016）。研究表明番茄果实中至少含有12 种类胡萝卜素，即番茄红素、β-胡萝卜素、叶黄素、链孢红素、八氢番茄红素、六氢番茄红素、紫黄素、新黄素、ζ-胡萝卜素、α-胡萝卜素、γ-胡萝卜素、δ-胡萝卜素（Fantini et al.，2013）。在其成熟果实中类胡萝卜素主要为番茄红素、β-胡萝卜素和叶黄素，其中番茄红素占主导地位（Srivastava & Srivastava，2015），其含量占类胡萝卜素总量的70%～90%，β-胡萝卜素含量占比为5%～26%（Ronen et al.，1999；Kotíková et al.，2018）。

类胡萝卜素在番茄不同类型颜色果实中的种类、含量和组成不同，且在番茄果实的不同部位以及各成熟阶段的含量也存在差异。根据番茄植株的生理状态（生长期、生长状态、果实硬度等）可将番茄果实成熟过程分为IMG（immature green，青果期，果实青色、坚硬、处于生长中）、MG（mature green，绿熟期，果实几乎不再长大，颜色由绿变白）、B（breaker，破色期，果实出现一抹黄色）、B+1 至B+3（破色后1～3 d，橙果期，果实颜色逐渐变橙）、B+4 至B+9〔破色后4～9 d，即红熟期（red ripe），果实颜色逐渐变红〕以及B+10至B+14（破色后10～14 d，完熟期，果实颜色逐渐变为紫红色，硬度逐渐降低）几个时期（Fraser et al.，1994；Carrari et al.，2006；Centeno et al.，2011；于洋，2016）。不同种类的类胡萝卜素在番茄果实组织中分布不同，详见表1（Fraser et al.，1994；Carrar et al.，2006；吕鑫 等，2009；于洋 等，2011；Centeno et al.，2011；刘英明 等，2013）。

1.2 番茄果实发育成熟过程中类胡萝卜素的含量变化

番茄果实中的类胡萝卜素种类和含量随果实发育成熟的不同阶段而变化，同时番茄品种的不同对类胡萝卜素含量也有一定程度的影响（表2）（Fraser et al.，1994，1999；李京 等，2006；Carrari et al.，2006；程孙亮 等，2007；吕鑫 等，2009；于洋 等，2011；Centeno et al.，2011；Namitha et al.，2011；刘云飞 等，2012；刘长付，2013）。大量数据表明，总类胡萝卜素含量随番茄果实的成熟呈明显上升趋势，且总含量积累曲线近似于对数曲线（李京 等，2006）。在番茄果实成熟过程中，绿熟期至破色14 d 期间，番茄红素含量逐渐增加，在破色14 d 达到峰值，β-胡萝卜素和叶黄素变化趋势为先增后减再增，在破色14 d 达到峰值（程孙亮 等，2007）。于洋（2016）选取5 种不同果实颜色的番茄品种为代表性材料作为横向比对，同时以材料的成熟时期作为纵向比对进行测定试验，结果显示，红熟期品种果实颜色越接近紫红色，番茄红素在果皮中含量越高，β-胡萝卜素含量也越高（于洋 等，2011；刘云飞 等，2012），李京等（2006）的HPLC-PDA试验也得到了相同的结果。

表1 番茄不同成熟期对应的主要类胡萝卜素种类及分布部位

表2 番茄不同成熟期果实对应的类胡萝卜素含量及其变化趋势

2 番茄果实中类胡萝卜素的合成途径

类胡萝卜素作为植物中最主要的色素之一，依据其丰富多样的生理功能及作为植物重要组分的合成前体，近些年已成为人们关注的焦点之一。而作为番茄类胡萝卜素调控的主导者，番茄类胡萝卜素合成途径成为了研究的主要方向之一，该途径涉及了脱氢、缩合、环化、羟基化及环氧化等一系列生化反应。

在番茄类胡萝卜素的合成途径中，番茄中的异戊烯焦磷酸（IPP）主要来源于甲基赤藓糖醇途径（MEP 途径）（Kang et al.，2016），即丙酮酸和3-磷酸甘油醛在多种酶（1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶基因即DXS、5-磷酸脱氧木酮糖还原异构酶即DXR）的作用下反应生成IPP 这一前体物质。在牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合成酶（GGPPS）的催化作用下，IPP 与其异构体二甲基丙烯基焦磷酸（DMAPP）缩合形成GGPP 这一植物多种物质生物合成的共同前体。然后2 分子的GGPP 在八氢番茄红素合成酶（PSY）的催化下缩合形成八氢番茄红素（phytoene）（无色）的1，5-顺式异构体。后者在八氢番茄红素脱氢酶（PDS）的作用下脱氢形成ζ-胡萝卜素（ζ-carotene），然后在ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）的催化作用下形成顺式番茄红素（cis-lycopene），最后在类胡萝卜素异构酶（CRTISO）的作用下构象发生转换形成反式类胡萝卜素（trans-lycopene）（郭飞，2015）。番茄红素在不同番茄红素环化酶（LCY）作用下，生成两类不同的类胡萝卜素—β-胡萝卜素（2 个β 环）、α-胡萝卜素（1 个β 和1 个ε 环）（Mcquinn et al.，2017），这一步骤是类胡萝卜素合成途径中一个关键的分支点。此后，α-胡萝卜素在β-胡萝卜素羟化酶（BCH）的作用下连续羟基化生成叶黄素（lutein）。β-胡萝卜素则经过2 个氢化反应形成玉米黄素，后者经过玉米黄素环氧酶（ZEP）催化形成堇菜黄素（紫黄质），再在新黄素合成酶（NXS）的作用下生成新黄质。紫黄质和新黄质都是脱落酸（ABA）形成的重要前体物质（Cazzonelli & Pogson，2010）（图1）。

通过对番茄基因组数据库的检索及借助拟南芥数据库中部分基因的同源性比对，郑青松等（2015）提出了涉及番茄类胡萝卜素合成途径中不同阶段的47 个酶基因，分别对应着24 种不同的酶。对这些基因进行定位和表达分析后，可得出以下结论：这47 个基因分布在除了9 号染色体以外的其余11条染色体上，其中1 号染色体上的基因数目最多，为7 个（PSY、CMK、DXS、CCD、ZDS、MCT及HDR），7 号染色体包含基因数最少，仅为1 个（NECD），其余染色体上均至少含有2 种基因（郑青松 等，2015）。本文选择了其中相对较为重要的酶及基因进行阐述。

图1 番茄中类胡萝卜素合成代谢途径 （改自Liu et al.，2015）

2.1 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS）

DXS是MEP途径的第1个关键酶（郭亚飞 等，2018）。番茄中存在2 个结构不同、在调节上存在差异的DXS 基因（DXS1、DXS2）（Walter et al.，2002），其功能是催化IPP 的形成，在番茄果实成熟过程中，番茄红素的形成与DXS1 的表达密切相关，但与DXS2 的表达不相关（于洋，2016），DXS2 主要表达在幼嫩的番茄叶片、花瓣、分离的毛状体等位置（Paetzold et al.，2010；Gutensohn et al.，2014）。研 究 表 明，DXS 在 调 控MEP 代谢 通 路 中 起 重 要 作 用（Rodríguez-Concepción & Boronat，2015）。Namitha等（2011）的试验结果显示，自绿熟期至破色14 d 的整个阶段，DXS 的表达量呈先上升后下降的趋势，破色10 d 表达量最高。

2.2 牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合成酶（GGPPS）

GGPPS 的功能是催化合成GGPP 这一番茄红素合成直接前体物质，果实成熟期间上调GGPPS表达量有利于番茄红素的形成。在番茄中，GGPPS基因家族定位在11 号染色体（GGPPS1）、4 号染 色 体（GGPPS2）和2 号 染 色 体（GGPPS3、GGPPS4）上，GGPPS2 基因在番茄果实成熟过程中对番茄红素的积累起重要的调控作用（Ament et al.，2006）。钟秋月等（2009）通过对多毛番茄的GGPPS2 比对分析，推测该基因编码的蛋白极有可能定位在质体中，作为类胡萝卜素合成路径中的前体物质供应节点存在（Loyola et al.，2012）。Namitha 等（2011）对类胡萝卜素合成通路中基因表达的测定试验结果显示，自绿熟期至破色14 d的整个阶段，GGPPS 的表达量总体呈先上升后下降的趋势，并在破色5 d 达到峰值。

2.3 八氢番茄红素合成酶（PSY）

PSY 是类胡萝卜素合成途径中最重要的限速酶之一（Fraser et al.，2002），作为红果番茄类胡萝卜素途径中表达最高的2 个基因（PSY 和ZISO）之一（在绿果番茄中表达水平较低）（Giuliano，2014），催化GGPP 生成八氢番茄红素。在番茄中现已发现3 个PSY 基因（Fantini et al.，2013）。其中PSY1基因定位在3 号染色体上，在番茄果实成熟中上调表达，是PSY 多基因家族中主要针对果实中类胡萝卜素合成的基因，对于番茄果实中番茄红素积累是十分必要的（Giuliano，2014），且番茄颜色突变的上位性涉及顺式类胡萝卜素对PSY1 表达的调节（Cazzonelli & Pogson，2010；Kachanovsky & Hirschberg，2012）。PSY2 定位在2 号染色体上，负责叶绿体中类胡萝卜素的合成，对果实成熟过程中的类胡萝卜素形成几乎没有作用（Fraser et al.，1999）。绿熟期番茄果实中PSY1 和PSY2 的表达量很少，进入转色期后表达量稍有增加并呈上升趋势，越靠近成熟期PSY1 和PSY2 的表达量越高，红色越深，番茄红素合成越快（刘英明 等，2013）。自绿熟期至破色14 d 的整个阶段，PSY 的整体变化趋势为先升后降，在破色日达到峰值，随后下降（Namitha & Negi，2010；Kachanovsky & Hirschberg，2012）。PSY3 位于1 号染色体上，被预测胁迫条件下在根中发挥作用（Kachanovsky & Hirschberg，2012；Fantini et al.，2013）。

2.4 八氢番茄红素脱氢酶（PDS）

PDS 的主要功能是通过2 次去饱和作用，催化八氢番茄红素生成ζ-胡萝卜素，主要在花中表达，果实成熟期间上调表达量，有利于番茄红素的形成。PDS 定位在3 号染色体上，以单基因的形式存在，是类胡萝卜素合成途径中的限速酶（Chamovitz et al.，1991；祝光涛 等，2012）。果实成熟时，PDS 的表达量迅速增加，大量类胡萝卜素（以番茄红素为代表）积累，故推测该基因表达与果实形成时类胡萝卜素的含量呈正相关关系（Chamovitz et al.，1991）。当对PDS 进行沉默时，植株的总类胡萝卜素量显著下降，此时，八氢番茄红素和六氢番茄红素含量最高，番茄红素几乎完全消失（Fantini et al.，2013）。Namitha 等（2011）对类胡萝卜素合成通路中基因表达进行测定试验，结果显示，从绿熟期至破色后14 d 之间PDS 含量出现了2 个峰值，前一峰值出现在破色当天，后一峰值出现在破色5 d。

2.5 ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）

ZDS 是催化ζ-胡萝卜素转化成番茄红素的重要酶。ZDS 被定位在1 号染色体上，与PDS 的基因同源性为33%～35%，系统分析上可将这2 个基因归为一类（王玉萍 等，2006）。ZDS 对番茄果实中类胡萝卜素的积累和含量增加起重要的正调节作用，破色期mRNA 水平增长10～20 倍，主要在根和叶中表达。当对ZDS 进行沉默时，ζ-胡萝卜素和链孢红素大量累积，番茄红素几乎完全消失（Fantini et al.，2013）。在Namitha 等（2011）对类胡萝卜素合成通路中基因表达的测定中，从绿熟期到破色15 d，ZDS 含量总体呈下降趋势。

2.6 类胡萝卜素异构酶类（CRTISO、ZISO）

类胡萝卜素异构酶（CRTISO）将番茄红素从顺式构象异构为全反式构象，从而作为番茄果实中主要的番茄红素存在形式。CRTISO 被定位在10号染色体上。研究发现，缺少这一基因会使果实中7，9，7′，9′-四顺式-番茄红素大量积累，使拥有这一突变的果实颜色与普通型野生番茄材料存在差异。原核表达结果显示，CRTISO 在植物的绿色组织中均有表达，但在成熟的番茄果实中上调表达（Kachanovsky & Hirschberg，2012）。Fantini 等（2013）在番茄中研究了2 个与CRTISO 相关的单倍体基因CRTISO-L1 和CRTISO-L2（位于5 号染色体上），并推断这些酶的功能是启动竞争性代谢途径，代谢全反式番茄红素上游的胡萝卜素。

ζ-胡萝卜素异构酶（ZISO）的作用是异构化15-顺式双键，ZISO 定位在12 号染色体上，是红果番茄中类胡萝卜素途径中表达最高的2 个基因之一，能编码1 个小的蛋白，且含有可与铁结合的共有序列（Giuliano，2014），在番茄内为单拷贝基因，并高度表达。该基因功能可以部分被光照取代。当沉默该基因时，番茄红素大量减少，八氢番茄红素、六氢番茄红素和ζ-胡萝卜素的含量补偿性上升（Fantini et al.，2013）。

2.7 番茄红素环化酶类（LCY-B、LCY-E）

番茄红素β-环化酶（LCY-B）是催化番茄红素生成β-胡萝卜素的一类重要酶。LCY-B 位于4号染色体（LCY-B1）和10 号染色体（LCY-B2）上。该基因由单拷贝基因编码而成，并且作用于线状且对称的番茄红素。利用RNAi 沉默表达技术抑制番茄LCY-B 基因的表达，结果表明RNAi 沉默的番茄果实中番茄红素含量有着显著的提升（郑青松 等，2015）。番茄中存在2 个LCY-B 基因，LCY-B1 在绿色组织和花中有活性；LCY-B2 对果实中番茄红素的形成起调控作用，是有色体特异性的，其表达与番茄中β-胡萝卜素及下游叶黄素的积累有关。当LCY-B2 上调表达时，β-胡萝卜素积累量大幅增加，番茄红素含量减少。Rosati等（2010）将LCY-B 导入番茄植株，在类胡萝卜素合成途径下游，果实中的β-胡萝卜素含量明显增加，而在上游果实中LCY-B 基因的表达被抑制，破色阶段其mRNA 含量几乎为零。

番茄红素ε-环化酶（LCY-E）的作用是催化番茄红素生成δ-胡萝卜素。LCY-E 定位在12 号染色体上，与LCY-B 的氨基酸序列同源性达35%，以单拷贝形式存在，现已克隆出其cDNA 序列。LCY-E 基因在番茄中的表达量随着果实进入转色期而迅速增加，而在果实成熟期其表达消失。Davuluri 等（2004）通过RNAi 技术使LCY-E 基因不表达，使番茄果实中番茄红素的积累量增加（存在不显著差异）。同时，人们也在研究中发现了ε-环化酶的等位基因Del，该基因与LCY-E 共分离。在番茄Delta 突变体的研究中，研究人员发现该突变由单一显性基因Del 控制，它的转录表达使得果实中合成的番茄红素减少、δ-胡萝卜素增加，果实颜色由红色（野生型）变为橙黄色（程琳，2012），破色阶段其mRNA 含量几乎为零。

2.8 类胡萝卜素加氧酶类（CCD、NCED）

类胡萝卜素裂解加氧酶家族（CCO）包括了类胡萝卜素裂解双加氧酶亚家族（CCD）以及9-顺式-环氧-类胡萝卜素双加氧酶亚家族（NECD）2 个亚家族。在番茄CCD 亚家族中，已鉴定出4 种与类胡萝卜素合成代谢相关的CCD 基因：CCD1、CCD4、CCD7、CCD8。CCD1（CCD1A、CCD1B）、CCD7 位 于1 号 染 色 体 上，CCD4（CCD4A、CCD4B）、CCD8 位于8 号染色体上。CCD 可导致C40 类胡萝卜素向β-胡萝卜素类转化，对调节类胡萝卜素积累至关重要，同时与阿朴胡萝卜素的合成相关（Auldridge et al.，2006）。其中，CCD1 的表达与番茄中挥发性香味代谢产物的排放有关（Simkin et al.，2004）。CCD1 酶（SlCCD1A和SlCCD1B）在番茄果实中类胡萝卜素的裂解（切割类胡萝卜素底物的9、10 双键）产生各种类异戊二烯挥发物，包括顺-柠檬醛（neral）、反-柠檬醛（geranial）和法呢基丙酮（Ilg et al. ，2016）。CCD7 和CCD8 与独脚金内酯生物合成有关（Liu et al.，2015），其中CCD7 酶裂解9-顺式构型类胡萝卜素（即切割类胡萝卜素底物的9、10 双键），例如9-顺式叶黄素和9-顺式-玉米黄质，导致形成9-顺式-3-OH-ε-apo-10′-胡萝卜素和9-顺式-3-OH-β-apo-10′- 胡 萝 卜 醛（Bruno et al.，2014），然后CCD8 再在该产物的13、14 双键处作用，使其裂解（Auldridge et al.，2006）。

9-顺式-环氧-类胡萝卜素双加氧酶（NCED）家族是CCO 家族下属的亚家族（Kotíková et al.，2018）。已鉴定出番茄中与类胡萝卜素合成相关的NECD 基因位于7 号染色体（NCED）、8 号染色体（NCED2）、5 号染色体（NCED3）上，作用是切割9-新黄素和9-顺-紫黄质的11、12 双键（Auldridge et al.，2006），并进一步修饰以产生植物激素ABA（Nisar et al.，2015）。

2.9 类胡萝卜素羟化酶类（CRTR-B、CRTR-E）

类胡萝卜素β-羟化酶（CRTR-B）和类胡萝卜素ε -羟化酶（CRTR-E）基因在番茄中的主要存在形式为CYP97A29 和CYP97C11，分别属于Cyt P450 家族97（CYP97）的A 和C 亚家族（Stigliani et al.，2011），这2 种羟化酶以环状类胡萝卜素为底物，合成含氧类胡萝卜素（玉米黄素和叶黄素）。在番茄中，CRTR-B 有2 个同源基因CRTR-B1 和CRTR-B2，前者在所有组织中都表达，在叶中的表达最强，后者则是在花中高度表达，在叶片和萼片中完全不表达（Galpaz et al.，2006；D’Ambrosio et al.，2011）。

3 番茄中参与调控类胡萝卜素合成的转录因子

随着人们对类胡萝卜素合成代谢相关研究的逐渐深入，发现一些转录因子能直接或间接调控类胡萝卜素的积累。番茄作为果实成熟研究的模式植物，有关参与调控其果实类胡萝卜素合成的转录因子的研究已取得了一定进展（高慧君 等，2015）。在番茄中，目前报道的有关影响和调控类胡萝卜素合成的转录因子主要包括MADS-box 家族、SBPbox 家族、NAC 家族、AP2/ERF 家族、MYB 家族、HD-Zip 家族、NF-Y 家族等（图2）。

图2 转录因子调控类胡萝卜素合成途径的代谢网络

3.1 MADS-box 转录因子

MADS-box 家族转录因子是目前已报道的影响番茄类胡萝卜素合成途径的转录因子家族中数量最多的一个。番茄MADS-RIN 是MADS 转录因子家族SEPALLATA 亚家族的一员，同时也是目前番茄中研究最为深入的转录因子。在番茄rin 突变体果实中，MADS-RIN 基因编码的RIN 转录因子功能异常，从而导致了rin 突变体果实不同于野生型果实的成熟变化，包括呼吸高峰和乙烯高峰的变化受到影响；果实的软化、色泽和香气及风味物质的形成均不同于野生型番茄果实。迄今研究表明，MADS-RIN 的直接靶标至少涉及241 个基因，参与到67 个代谢途径，涉及乙烯合成及其介导的信号转导、呼吸作用、植物激素合成、细胞壁修饰、色素积累、芳香族化合物合成和逆境胁迫应答等多个方面（Ito et al.，2008；Martel et al.，2011）。免疫共沉淀结果显示转录因子MADS-RIN 结合PSY1启动子，调控PSY1 基因的表达，从而调控番茄果实类胡萝卜素合成（Li et al.，2017）。番茄rin 突变体的果实在红熟期呈绿色至微黄色，经测定该突变体果实中没有或只有少量番茄红素的合成，且几乎检测不到PSY1 基因的表达，说明MADS-RIN 在类胡萝卜素合成代谢过程中起着重要调控作用。

番 茄MADS1 与MADS-RIN 同 属 于SEPALLATA 亚家族，是MADS-box 家族中第一个被报道的果实成熟抑制因子。对SlMADS1 进行RNAi，ACO1、ACS2 和E8 表达量在SlMADS1 沉默系中显著上调，而转基因果实中PSY1 的表达显着增加，证明MADS1 对番茄果实类胡萝卜素调控过程起抑制作用（Dong et al.，2013）。

番 茄TAGL1（TOMATO AGAMOUS-LIKE1）通过调控番茄红素含量调控类胡萝卜素积累（Pan et al.，2010）。利用RNAi 沉默SlTAGL1，果实中β-胡萝卜素含量上升、番茄红素含量下降，果实表面粗糙，外果皮变薄，厚角细胞的体积及数量显著降低，后期果实呈现橙色或黄色的表型，无转红软化过程（Giménez et al.，2010；Pan et al.，2010）。TAGL1 沉默后，番茄果实中ACS2、ACS4、PSY1、PG、PE2、CRTISO 及E4 表达下降，但RIN、NOR 及CNR 的表达不受影响（Vrebalov et al.，2009）。相反，SlTAGL1 超表达能使成熟果实红色加深，番茄红素含量增加（Itkin et al.，2009；Pan et al.，2010）。

此外，MADS-box 家族的其他转录因子也影响番茄果实中的类胡萝卜素合成。其中，SlMBP8与果实中类胡萝卜素的合成具有负相关关系，对SlMBP8 进行沉默时，果实中PSY1、PDS、ZDS 表达量均有大幅度增加，且总类胡萝卜素含量增多（Yin et al.，2017）；SlFYFL 对果实中类胡萝卜素合成途径起负反馈调节作用，在SlFYFL 过表达株系的果实成熟过程中，PSY1、PDS 和ZDS 表达水平可下调了35%～50%，从而导致果实中总类胡萝卜素含量的大幅降低（Xie et al.，2014）；SlMBP15与SlMBP8 对类胡萝卜素的作用完全相反，沉默SlMBP15 后，E4、E8、LOXA、LOXB、ERF1 和rin表达下降，PSY1、PDS、ZDS 的转录显著降低，果皮中类胡萝卜素积累显著减少（Yin et al.，2018）；对SlCMB1 进行RNA 干扰，果实中PSY1、PDS 表达下调，CYC-B、LCY-B 和LCY-E 表达上调，总类胡萝卜素含量及番茄红素含量均明显下降（Zhang et al.，2018）；FUL1 和FUL2 作 为MADS-RIN 的互作蛋白，在番茄中的功能与其类似，对这2 个基因的转基因干涉植株进行分析，可得到这2 个基因通过正相关作用影响PSY1 和ZDS 表达，从而控制果实内类胡萝卜素的积累（汪淑芬，2014）。

3.2 SBP-box 转录因子

SPL-CNR 是SBP-box（SQUAMOSA promoter binding-like protein） 家 族 基 因（Salinas et al.，2012），发现于番茄Cnr（colorless non-ripening）突变体中。Cnr 突变体表型与其他已知的多个突变均明显不同，开花40～50 d 后果实仍保持较高的硬度，果皮呈现黄色，果肉为无色或白色，乙烯合成下降，用外源乙烯处理仍不能完全恢复野生型表型（Orf ila & Knox，2001）。Manning 等（2006）研究发现，Cnr 突变体是由于SPL-CNR 启动子自发表观遗传变异（DNA 甲基化）引起的。在Cnr 突变体整个果实发育期间，MADS-RIN 的表达显著上升，FUL1 的表达显著下降，PSY1 的表达完全检测不到，表明CNR、RIN、NOR 及FUL1 至少部分存在于同一转录调控途径中（Eriksson et al.，2004），SPL-CNR 基因的表达与PSY1 呈正相关（Salinas et al.，2012）。

3.3 NAC 转录因子

在NAC 家族SlNAC1 超表达株系的果实中，PSY1 上调表达，CYCB 下调表达，在这一过程中该基因依赖了乙烯的调控作用，使植株及果实中类胡萝卜素合成代谢含量发生变化（Ma et al.，2014）。而该家族的SlNAC4 表达受到抑制时，PSY1 转录物减少，LCY-B、LCY-E 和CYC-B 的转录物积累增 加，类胡萝卜素合成总量降低，同时该转录因子也可通过对乙烯合成的调控影响类胡萝卜素合成途径（Zhu et al.，2014）。

3.4 AP2/ERF 转录因子

AP2/ERF 家族的SlERF6 负反馈调节乙烯的生物合成，影响γ-胡萝卜素和β-胡萝卜素的含量，从而控制类胡萝卜素的合成。而在RNA 干扰下SlERF6 低表达时，DXS 表达量升高，能够在果实成熟过程中增强类胡萝卜素水平，也为其能够直接调控类胡萝卜素合成途径提供确凿证据（Lee et al.，2012）。在类胡萝卜素代谢通路中，SlAP2a通过调控乙烯水平，使得PSY1、CYCB、PDS、BCH、CRTISO、ZEP1 等的表达量发生变化（Karlova et al.，2011；高慧君 等，2015），从而调控番茄果实中类胡萝卜素含量。在SlAP2a 的RNAi 果实中，PSY1 表达量下降，CYCB 表达量上升，导致β-胡萝卜素含量上升，番茄红素合成明显受到抑制，果实出现颜色分布不均及转红困难等情况。同时该转录因子也被推测能够直接调控PSY 而影响番茄果实类胡萝卜素代谢进程（Chung et al.，2010）。

3.5 MYB 转录因子

MYB 家族的SLAN2 对于番茄中类胡萝卜素的合成具有明显的抑制作用，超表达植株的果实中各种类胡萝卜素含量相对于野生型均有不同程度的减少（Meng et al.，2015），同时，果实中PSY1、PDS、ZDS 表达量均较低（相对于野生型植株）。GARP 亚家族的GLK1、GLK2 对果实中类胡萝卜素含量起促进作用，这2 个基因的超表达植株中八氢番茄红素、叶黄素、番茄红素等各种类胡萝卜素及总胡萝卜素的表达均呈上升趋势，但该促进作用不是通过一般的成熟控制系统（乙烯调控系统、关键成熟基因）进行，而是通过改变质体数量和活性完成的。同时，相比GLK1 而言，GLK2 在果实中具有相当高的表达量（Nguyen et al.，2014）。

3.6 HD-Zip 转录因子

番茄HD-Zip 家族转录因子LeHB-1 在果实成熟和果色变化过程中，通过调控乙烯合成调控类胡萝卜素含量（Lin et al.，2008）。研究表明，LeHB-1 基因在果实发育初期和绿熟期高度表达，破色后表达量逐渐下降（Lin et al.，2008）。利用病毒诱导的基因沉默（virus-induced gene silence，VIGS）技术在番茄Ailsa Craig 果实上沉默LeHB-1（mRNA 表达下降 60%～90%），果实成熟延缓，部分延熟果实果皮呈现黄色或橙色，LeACO1 表达下降，与ACO1 沉默的转基因番茄表型一致（Lin et al.，2008）。

3.7 NF-Y 转录因子

NF-Y 家族部分基因的表达模式也与果实成熟中类胡萝卜素的积累起正或负反馈作用（Shan et al.，2016）。通过对番茄果实成熟过程中该家族各个基因的表达情况及表达量可视化分析，可得出：NF-Y 家族中与成熟过程相关的基因共有13 个，分属NF-YA、NF-YB、NF-YC 3 个亚家族，其中，一些基因与果实成熟呈正相关，一些则呈负相关关系，李珊等（2017）确定了包括NF-YB 亚 组（Solyc06g069310、Solyc07g065500）和NF-YA 亚 组 的3 个 成 员（Solyc01g087240、Solyc08g062210、Solyc11g065700）的5 个NF-Y 基因抑制番茄果实的成熟。部分NF-Y 基因也能与RIN 结合，控制类胡萝卜素的合成过程。

3.8 其他核蛋白

在番茄中，除了已报道的转录因子之外，还存在着许多其他的核蛋白对类胡萝卜素合成起到调节作用，如光信号调节因子、生长素响应因子、组蛋白去乙酰化酶HD2 家族的HDT3、番茄滞绿蛋白SGR1（STAY-GREEN）和隐花色素家族的CRY1a等。这些蛋白对于番茄中各种类胡萝卜素合成酶的作用趋势不相一致，而对番茄果实成熟过程中总类胡萝卜素积累产生积极作用。

3.8.1 光信号调节因子 光敏色素PHY 作为番茄体内响应红光和远红光的分子开关，在植物果实的光形态反应及果实着色方面有重要的影响作用。对果实进行特异性RNAi 介导的SlPHY 基因沉默后，获得的转基因成熟果实与野生型番茄成熟果实相比，GGPPS、PSY1、PDS 表达量大幅减少，番茄红素含量显著降低。

光敏色素互作因子PIF（phytochrome-interacting factor）家族中的PIF1a 对番茄果实的成熟起显著的正调节作用，该互作因子通过直接结合到PSY1基因启动子上的PBE-box（CACATG）来抑制类胡萝卜素生物合成及表达。在对SlPIF1a 进行沉默后，SlPSY1 转录物大幅增加，八氢番茄红素及番茄红素含量明显升高（Llorente et al.，2016；Ernesto et al.，2018）。

DET1（DE-ETIOLATED 1）属于核蛋白的一种（Benvenuto et al.，2002），DET1 是调控番茄光形态发生的重要基因之一（高慧君 等，2015），转DET1 基因的植株类胡萝卜素含量明显下降，而RNAi 植株中番茄红素和β-胡萝卜素水平显著增加。研究表明DET1 对番茄果实中类胡萝卜素（尤其是β-胡萝卜素和番茄红素）的含量提升有负相关关系（Davuluri et al.，2004）。

3.8.2 生长素响应因子 生长素响应因子ARF（auxin response factors）家族的一些成员在近些年的研究中被证明与果实成熟调控网络有着密切关系，其中SlARF2 的表达模式显著与成熟相关。研究发现，番茄中SlARF2A 和SlARF2B 是一对被推测出的共同基因组，这二者在番茄果实内充当生长素依赖性基因转录的阻遏物。当对该基因组进行共同沉默时，SlARF2AB-RNAi 果实表现出低水平的SlPSY1 转录物和高水平的SlLCY-B 和SlCYCB，促进β-胡萝卜素而非番茄红素的积累，抑制番茄果实类胡萝卜素的积累，从而导致SlARF2ABRNAi 果实表现出橙黄色（Hao et al.，2015；Breitel et al.，2016）。

3.8.3 其他核蛋白 HDT3 的RNAi 果实中PSY1表达下调，CYCB、LCY-B 和LCY-E 表达显著上调，但总类胡萝卜素含量上调表达，同时，该转录因子被推测与组蛋白的乙酰化和RIN 的启动子甲基化相关，该关联也是HDT3 调控番茄类胡萝卜素合成代谢的方式之一（Guo et al.，2017）。

番茄滞绿蛋白SGR1（STAY-GREEN）通过与PSY1 互作，控制PSY1 的表达量，反向调控β-胡萝卜素、番茄红素和八氢番茄红素等的积累量，从而控制类胡萝卜素的积累。且在果实成熟早期，SGR1 也与PSY1 互作调控果实内质体活动，从而调节类胡萝卜素合成（Luo et al.，2013）。

CRYs 是隐花色素中的一员，其中的CRY1a 通 过 控 制 其 下 游 组 分 如HY5（LONG HYPOCOTYL5）、COP1 等调节果实色素沉着，促进或抑制果实内六氢番茄红素、八氢番茄红素、β-胡萝卜素的合成，最终使果实内部总类胡萝卜素含量发生变化（Liu et al.，2018）。

4 环境因子及表观遗传对番茄果实类胡萝卜素的调控

4.1 环境因子对番茄果实类胡萝卜素的调控

环境因子在植物生长发育的各个方面均起着不可或缺的作用，在果实发育成熟过程中，该作用尤为明显。

八氢番茄红素的合成是类胡萝卜素合成代谢途径中的关键限速步骤，这一限速步骤涉及的合成酶八氢番茄红素合成酶，也是该途径中最重要的限速酶之一。该酶对应的基因PSY 受多种环境因子制约，包括光强、温度、盐离子浓度、水分、光周期等。番茄中PSY 基因的表达受光周期影响较为显著，在红光和远红光下PSY 的转录丰度上调，最终导致类胡萝卜素合成量的提升。而在高温下，PSY 转录水平受到一定程度的抑制，mRNA 水平大幅下降，果实中类胡萝卜素含量降低（Welsch et al.，2000；Cazzonelli & Pogson，2010）。

从八氢番茄红素合成至全反式番茄红素合成需要一系列复杂的反应，这一过程中需要八氢番茄红素去饱和酶（PDS）、β-胡萝卜素异构酶（ZISO）、β-胡萝卜素去饱和酶（ZDS）和类胡萝卜素异构酶（CRTISO），以及光介导的光异构化的共同参与。其中，PDS 与PSY 的调控作用机理有一定的相似性，即二者的转录丰度都在光敏色素介导的光调控下上升，从而使果实内部总类胡萝卜素含量上升。ZISO 作为番茄中类胡萝卜素途径中表达最高的2个基因之一，功能可以部分被光照取代。当沉默该基因时，番茄红素大量减少，总类胡萝卜素含量降低（Fantini et al.，2013）。

4.2 表观遗传对番茄果实中类胡萝卜素的调控

表观遗传是不同于孟德尔等位基因相互作用来调节植物生长发育的遗传方式。近些年，随着表观遗传学领域的逐步拓宽，类胡萝卜素的表观遗传机制得到了进一步探索。类胡萝卜素的合成与代谢途径是整个类胡萝卜素探索方向上最主要的分支，而这一途径在植物整个生命周期中受到严格而复杂的调控。研究表明，表观遗传可通过调节番茄体内类胡萝卜素合成代谢途径相关基因的转录表达而控制其果实类胡萝卜素含量（Zhong et al.，2013；Arango et al.，2016）。

DNA 甲基化是基因转录被表观遗传调节的研究最多的机制之一（Arango et al.，2016）。甲基化 发 生 在DNA 中 的CpG、CpCpG、CpHpHp 和CpNpG 基序中，是种子成熟前抑制果实成熟的关键决定因素之一（Zhong et al.，2013）。在番茄Spn-cnr 突变体果实中，启动子区域发生高水平甲基化后，至少有18 个甲基化胞嘧啶的生成，导致LeSpn-cnr 的表达较低，PSY 表达水平下调，类胡萝卜素积累受到抑制，得到了无色非成熟突变体，果实缺乏番茄红素，呈绿色，无红熟期（Zhong et al.，2013）。

5 展望

近年来，随着人们营养健康的需要，对园艺产品的营养价值也提出了更高的要求。类胡萝卜素由于其种类和功能的多样性，研究也越来越深入，一直以来成为色素多功能性研究的重要对象。番茄作为果实成熟研究的模式生物，其类胡萝卜素合成途径目前已经形成较为清晰的通路，但其调控基因却有待进一步阐明。从目前的研究进展来看，番茄的类胡萝卜素合成受到光照、激素、温度、营养、发育阶段等多方面因素的影响，但目前对于已报道的可调控番茄类胡萝卜素含量的大多数转录因子是如何具体调控类胡萝卜素合成，在类胡萝卜素合成过程中如何发挥作用等方面尚不清楚，有待进一步深入研究。随着番茄类胡萝卜素合成与调控相关转录因子的功能的进一步发掘，将为番茄及其他园艺作物提高类胡萝卜素含量新品种的培育等方面提供充分的理论依据。