番茄SlCAS1基因通过调控色素代谢与乙烯合成介导果实成熟的作用机制

本研究针对番茄果实成熟过程中β-氰基丙氨酸合成酶（β-CAS）的功能空白，通过多组学技术揭示了SlCAS1基因的双重调控机制。研究人员利用VIGS沉默、CRISPR/Cas9敲除和过表达技术，证实SlCAS1通过上调SlDFR/SlANS等花青素合成基因及SlACS2/SlACO3等乙烯代谢关键基因，显著促进果实着色与成熟。该成果为改善番茄品质提供了新靶点，发表于《Postharvest Biology and Technology》。

　　

研究背景
番茄作为全球重要的经济作物，其果实成熟过程伴随着复杂的色素转化与乙烯调控。尽管已知乙烯（ethylene）是跃变型果实成熟的关键激素，但其副产物氰化物（cyanide）的解毒机制与成熟调控的关联仍是未解之谜。β-氰基丙氨酸合成酶（β-CAS）作为氰化物解毒的核心酶，在苹果、马铃薯等作物中被发现与乙烯合成同步激活，但该基因如何参与番茄果实色泽发育和成熟调控仍缺乏直接证据。

研究方法
合肥工业大学研究团队以'Micro-Tom'番茄为材料，采用系统进化分析明确SlCAS1/2基因家族特征；通过VIGS技术构建SlCAS1沉默株系，利用CRISPR/Cas9获得ΔSlCAS1突变体，结合过表达株系（SlCAS1-OE）进行表型分析；采用HPLC测定叶绿素/花青素含量，qPCR检测色素代谢（SlNYC1/SlPPH/SlPAO）和乙烯合成（SlACS2/SlACS4/SlACO3）基因表达；基于野生型、SlCAS1-OE和ΔSlCAS1的转录组数据进行GO/KEGG富集分析。

研究结果

1. SlCAS1加速番茄叶绿素降解并促进花青素积累
   ΔSlCAS1果实表现出"持绿"表型，叶绿素含量较野生型增加37.5%，而SlCAS1-OE株系花青素含量提升2.1倍。分子机制上，SlCAS1通过正向调控SlDFR（二氢黄酮醇还原酶）和SlANS（花色素合成酶）表达促进花青素合成。

2. SlCAS1正向调控乙烯生物合成
   SlCAS1-OE果实中乙烯合成关键基因SlACS2/SlACS4表达量分别增加4.8倍和3.2倍，且SlACO3表达上调2.7倍，而ΔSlCAS1株系则呈现相反趋势。PCA分析将SlACS2和SlACO3鉴定为乙烯通路的核心调控因子。

3. 转录组揭示SlCAS1的多通路调控网络
   KEGG分析显示差异基因显著富集于类黄酮生物合成（ko00941）和乙烯信号转导（ko04142）通路。SlCAS1-OE中参与细胞壁修饰的EXPANSIN家族基因表达量同步提升，暗示其可能协同调控果实软化。

结论与意义
该研究首次阐明SlCAS1通过"色素-乙烯"双通路协同调控番茄成熟：一方面通过激活SlDFR/SlANS促进花青素积累改善果实色泽，另一方面通过增强SlACS2/SlACO3表达加速乙烯合成。这一发现不仅完善了氰化物代谢与果实成熟的理论关联，更为分子育种提供了新策略——通过精准调控SlCAS1表达可实现番茄着色度与货架期的协同优化。研究建立的SlCAS1分子调控模型，为其他茄科作物品质改良提供了普适性参考框架。