尚樂樂 宋建文 王嘉穎 張余洋 葉志彪

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室，湖北武漢 430070）

番茄（Solanum lycopersicum）為茄科茄屬一年生稍近蔓性草本植物，起源中心位于南美洲的安第斯山脈，現(xiàn)在栽培番茄的祖先是醋栗番茄，在墨西哥馴化栽培較早。番茄16世紀從原產(chǎn)地傳入歐洲，17世紀傳入亞洲，18世紀傳入北美和日本，它作為一種世界性蔬菜廣泛分布在南緯45°至北緯65°的世界各地，19世紀以后得到了長足的發(fā)展。

中國是世界上番茄栽培面積最大、生產(chǎn)總量最多的國家，其種植面積自20世紀90年代開始直線上升，至2016年全國種植總面積約為110萬hm2（1 648萬畝），國內(nèi)主要產(chǎn)地集中在山東、河南、河北和新疆等地，常年產(chǎn)量在5 000萬t以上，而且呈現(xiàn)增長態(tài)勢（http：//jiuban.moa.gov.cn/zwllm/jcyj/201701/t20170122_5461550.htm）。

番茄果實品質(zhì)主要包括外觀品質(zhì)、風(fēng)味品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和加工貯藏品質(zhì)，其品質(zhì)特性影響商品價值。消費者不僅追求果實外觀、風(fēng)味等感官品質(zhì)，對其內(nèi)在營養(yǎng)價值的要求也逐漸提高。品質(zhì)形成的內(nèi)在原因在于果實具有的可溶性和不溶性固形物含量的轉(zhuǎn)變，其中影響果實風(fēng)味和營養(yǎng)品質(zhì)形成的物質(zhì)主要包括：可溶性固形物中的糖、酸以及糖酸比；不溶性固形物中的多糖；可溶性固形物中的類胡蘿卜素等。有機酸和糖是產(chǎn)生風(fēng)味的重要組分，并且是其他番茄果實品質(zhì)決定因素的重要組分。酸度通過抑制有機體的孢子萌發(fā)來影響加工番茄和番茄制品的貯藏能力。果實中的糖分組成決定相關(guān)的番茄制品產(chǎn)量和某些加工產(chǎn)品產(chǎn)量。番茄風(fēng)味品質(zhì)的主要決定因素是糖和酸的比率，主要取決于果糖和檸檬酸、葡萄糖和蘋果酸的比率，其中前者更為重要。果實中的不溶性固形物決定果實的粘性，而番茄果汁、番茄醬、番茄湯的品質(zhì)受產(chǎn)品粘性的影響。類胡蘿卜素對哺乳動物（包括人類）來說至關(guān)重要，因為它是VA合成的唯一來源，β-胡蘿卜素是抵抗癌癥的生物活性保護劑（Mayne，1996）。番茄果實品質(zhì)改良尤其是風(fēng)味和營養(yǎng)品質(zhì)改良是番茄育種的首要目標。

番茄果實發(fā)育過程包括5個時期：幼果期、綠熟期、破色期、黃熟期和紅熟期，成熟過程伴隨著可溶性固形物和不溶性固形物等物質(zhì)的連續(xù)性變化，最終決定番茄果實的風(fēng)味和營養(yǎng)品質(zhì)。番茄果實具有的糖、酸以及最終的糖酸比決定了果實的風(fēng)味品質(zhì)，VC（抗壞血酸）、類胡蘿卜素等次生代謝物形成了番茄果實的營養(yǎng)品質(zhì)。本文著重論述番茄果實所含有的糖、酸、類胡蘿卜素、VC的代謝過程及其內(nèi)在調(diào)控機制。

1 番茄果實中主要糖類成分及其代謝機制

在栽培番茄（S. lycopersicum）果實中糖類積累主要為葡萄糖和果糖，在野生番茄（如S.chmielewskii）中積累的糖類主要為蔗糖（Yelle et al.，1991），各糖分含量變化是受多基因控制的數(shù)量性狀。Fulton等（2002）利用4個高世代回交群體定位了65個控制糖分含量的數(shù)量位點，其中控制果糖含量的位點有18個，控制葡萄糖含量的位點18個，控制蔗糖含量的位點10個，控制半乳糖含量的位點1個，控制果糖和葡萄糖比值的位點19個，以及1個蔗糖酶位點。數(shù)據(jù)顯示葡萄糖和果糖相關(guān)性最大，同時最能代表果實總糖分含量變化，進一步說明成熟番茄果實中主要糖分為葡萄糖和果糖；蔗糖含量與葡萄糖和果糖含量也呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，這種正相關(guān)性可能與控制蔗糖在果實成熟末期積累并向果實中運輸?shù)臄?shù)量位點有關(guān)，并且最終導(dǎo)致果實中蔗糖及葡萄糖和果糖含量的增加。

蔗糖是葉片光合作用產(chǎn)物的糖分運輸形式，通過韌皮部運輸至果實。番茄果實中蔗糖和己糖相對含量的差別主要取決于蔗糖酶和蔗糖合成酶的相對活力。蔗糖酶是一種水解酶，可以將蔗糖水解為2個單糖，蔗糖合成酶是一種糖基轉(zhuǎn)移酶，可以將蔗糖分解為UDP-葡萄糖和果糖，也可以利用單糖合成蔗糖。利用反義基因技術(shù)，發(fā)現(xiàn)具有反義蔗糖酶基因（TIV1）的番茄果實中蔗糖含量升高，葡萄糖和果糖等己糖含量降低，并且果實大小與對照相比降低30%（Klann et al.，1996）。Fridman等（2004）利用圖位克隆技術(shù)發(fā)現(xiàn)一個編碼細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因Lin5，Lin5在輸導(dǎo)組織中的表達與一個潛在的靠近子房的“糖卸載位點”臨近，表明其作為“庫基因”在調(diào)控果實吸收光合作用產(chǎn)物中的作用。另一個對番茄果實糖代謝起重要作用的酶是蔗糖合成酶，抑制其表達會降低果實發(fā)育起始階段對蔗糖的卸載能力，對成熟開始后的階段影響較小，表明其可能調(diào)控果實早期發(fā)育時的庫強度，并因此影響果實大?。∟’ Tchobo et al.，1999）。

已有很多針對番茄果實糖代謝直接相關(guān)酶類的研究，尤其是確定了蔗糖酶的重要作用，最近的一些研究揭示了一些間接作用于糖代謝的蛋白的作用，如蔗糖轉(zhuǎn)運器、淀粉合成酶和液泡加工酶。番茄SUT基因家族編碼蔗糖轉(zhuǎn)運器蛋白的形成，影響韌皮部卸載能力，抑制SUT2基因的表達會降低番茄果實中葡萄糖、果糖和蔗糖的含量（Hackel et al.，2006）。AGPase主要控制番茄果實中淀粉的合成，伴隨果實發(fā)育的全過程，影響果實中糖分的組成及相對含量（Petreikov et al.，2006）。

植物激素在果實發(fā)育過程中起著重要的調(diào)控作用。植物色素膽素（PΦB）合成減少會通過生長素和細胞分裂素抑制番茄果實中糖分積累，通過轉(zhuǎn)錄抑制細胞壁蔗糖酶、蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白和AGPase的活性（Bianchetti et al.，2017）。ARF4作為一種生長素響應(yīng)因子，抑制其表達會導(dǎo)致早期果實中淀粉的積累、葉綠素含量的增多以及淀粉合成酶活性的增加，表明激素參與番茄果實的糖代謝過程（Sagar et al.，2013）。

2 番茄果實中有機酸組成及其代謝機制

番茄果實中酸的總含量起著重要的作用，不僅是番茄風(fēng)味品質(zhì)的重要組成部分，還會影響芳香物質(zhì)的揮發(fā)，并且較低的pH值可以保證加工產(chǎn)品的安全性（Bucheli et al.，1999）。番茄中的有機酸成分主要為檸檬酸、蘋果酸和谷氨酸，其成分組成是受多基因控制的數(shù)量性狀。Fulton等（2002）利用4個高世代回交群體定位了102個控制有機酸組成的數(shù)量位點，并且發(fā)現(xiàn)與蘋果酸相比，檸檬酸和谷氨酸濃度與酸總含量關(guān)系更為緊密，檸檬酸濃度對果實pH影響更大。所以，針對檸檬酸的選擇育種對果實的酸度和pH都有顯著影響，對蘋果酸含量的選擇育種可以實現(xiàn)在盡可能少地影響酸總量的前提下調(diào)節(jié)果實pH值。

隨著番茄果實成熟，蘋果酸含量急劇減少，檸檬酸在果實破色期含量達到最大值后呈現(xiàn)出持平或減少或繼續(xù)增加的趨勢，谷氨酸含量呈現(xiàn)急劇增加的趨勢（Davies & Maw，1972）。代謝組與轉(zhuǎn)錄組綜合分析發(fā)現(xiàn)這幾種酸的含量與番茄果實發(fā)育過程的轉(zhuǎn)錄過程密切相關(guān)（Carrari et al.，2006）?；诖耍l(fā)現(xiàn)蘋果酸在番茄果實發(fā)育過程中對淀粉合成、可溶性固形物含量、采后軟化以及氣孔開度等方面具有重要的調(diào)控作用（Centeno et al.，2011；Penfield et al.，2012）。這些發(fā)現(xiàn)表明蘋果酸代謝可能對番茄果實正常成熟以及代謝物變化起著至關(guān)重要的作用。蘋果酸是TCA循環(huán)過程的重要中間物，NADP依賴型蘋果酸脫氫酶（NADP-ME）負責丙酮酸和蘋果酸之間的轉(zhuǎn)化，磷酸烯醇式丙酮酸激酶（PEPCK）參與糖異生過程，NADP-ME和PEPC可能調(diào)控有機酸的代謝過程。隨著番茄果實成熟過程的開始，PEPCK基因在果實中的表達量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而NADP-ME1基因的表達量則逐漸降低（Bahrami et al.，2001）。利用RNA干涉技術(shù)獲得PEPCK干涉系和ME干涉系，在干涉植株中發(fā)現(xiàn)PEPCK基因表達量的降低導(dǎo)致檸檬酸和果糖含量降低、谷氨酸和蘋果酸含量增加，在ME干涉植株中代謝物變化較?。∣sorio et al.，2013）。除調(diào)控酸代謝的酶類外，在近期的研究中定位到直接控制蘋果酸積累的位點，如通過關(guān)聯(lián)分析（mGWAS）定位到了調(diào)控番茄蘋果酸積累的主效位點TFM6（tomato fruit malate 6），編碼1個鋁激活蘋果酸轉(zhuǎn)運蛋白（ALMT9），研究分析發(fā)現(xiàn)ALMT9的啟動子中的1個3 bp插入（indel）正好位于SlALMT9啟動子中的1個可以被WRKY42直接結(jié)合的W-box元件中，WRKY42通過結(jié)合ALMT9啟動子上W-box來負調(diào)控ALMT9表達，進而抑制番茄果實中蘋果酸積累（Ye et al.，2017）。

3 番茄果實中糖酸比

番茄果實的甜度主要由葡萄糖和果糖的含量決定，果糖的甜度是葡萄糖的2倍，提高番茄果實中果糖的含量可以增加果實甜度，從而改善果實風(fēng)味。控制番茄果實中果糖和葡萄糖含量比值的主效位點位于4號染色體著絲點附近，分離位點中的Fgr基因調(diào)控果實己糖含量中果糖和葡萄糖的分配比例，而對果實糖分總含量和可溶性固形物含量沒有影響（Levin et al.，2000）。

番茄果實的糖分和有機酸含量對番茄果實品質(zhì)都具有重要影響，番茄果實的糖酸比最終影響消費者的感官。番茄果實糖酸比大概在6.9～10.8之間，成熟果實的糖酸比要大于未成熟的果實（Lambeth et al.，1964）。Bucheli等（1999）發(fā)現(xiàn)與甜度相比，番茄果實中的糖酸比對果實風(fēng)味品質(zhì)影響更大，并且谷氨酸含量以及糖分與谷氨酸含量的比值對番茄汁品質(zhì)具有顯著影響。

4 番茄果實中VC的生成及其代謝機制

VC，化學(xué)名為抗壞血酸（AsA），是一種己糖內(nèi)酯化合物?？箟难嶙鳛橐环N抗氧化物質(zhì)，通過調(diào)控細胞信號途徑以及作為不同生理過程的輔因子，在植物體對生物和非生物逆境的響應(yīng)中發(fā)揮重要的作用（Chen & Gallie，2004；Hemavathi et al.，2011；Gallie，2013）。除了在植物體內(nèi)具有重要的生理生化功能，抗壞血酸作為一種重要的營養(yǎng)物質(zhì)，可以幫助人們抵抗多種疾病的發(fā)生。而人類因為缺少抗壞血酸合成途徑最后一個關(guān)鍵酶（L-古洛糖醛酸-1，4-內(nèi)酯氧化酶）基因，自身無法生成抗壞血酸（Watanabe et al.，2006），必須從飲食中獲取。番茄果實富含抗壞血酸，且深受人們喜愛。番茄果實抗壞血酸含量為100～880 mg·kg-1（FW），而商業(yè)化的栽培種果實中含量為100～400 mg·kg-1，其含量的降低可能是由于馴化過程的影響（Locato et al.，2013），所以通過研究其代謝機制找到提高抗壞血酸含量的方法至關(guān)重要?？箟难岷铣芍饕?種代謝途徑。

① D-甘露糖/L-半乳糖途徑：這是植物體合成抗壞血酸的主要途徑（Smirnoff & Wheeler，2000）。Conklin等（2000）利 用 擬 南 芥AsA缺陷型突變體鑒定了幾個與AsA代謝相關(guān)的位點：VTC1、VTC2、VTC3、VTC4。除VTC3外，這些基因后來都被證實能夠編碼該途徑的相關(guān)酶。

② 半乳糖醛酸途徑：Agius等（2003）在草莓果實中克隆到D-半乳糖醛酸還原酶基因（GalUR）。用D-GalA處理，發(fā)現(xiàn)在番茄成熟果實中會增加抗壞血酸含量，表明該途徑參與番茄果實抗壞血酸的積累（Badejo et al.，2012）。在番茄中異源表達草莓GalUR基因，番茄果實中抗壞血酸含量提高2倍（Cai et al.，2015）。

③ 肌醇途徑：Lorence等（2004）在擬南芥中克隆到肌醇加氧酶基因（MIOX），發(fā)現(xiàn)了肌醇途徑。

④ 古洛糖途徑：Wolucka等（2001）發(fā)現(xiàn)GDP-甘露糖-3’，5’-表型異構(gòu)酶（GME）具有2種功能，既能將GDP-D-甘露糖轉(zhuǎn)換為GDP-L-半乳糖，也可將其轉(zhuǎn)換為GDP-L-古洛糖，由此提出古洛糖途徑。

抗壞血酸的合成、循環(huán)以及運輸途徑已有了詳盡的報道，在番茄中有237個位點與其代謝途徑的酶促反應(yīng)相關(guān)，Ruggieri等（2016）利用生物信息學(xué)方法將抗壞血酸代謝途徑相關(guān)基因及其對應(yīng)的酶結(jié)合，形成抗壞血酸的代謝網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

GDP-D-甘露糖磷酸化酶（GMP）是抗壞血酸合成途徑中的第一個限速酶，GDP-D-甘露糖-3’，5’-異構(gòu)酶（GME）催化 2個不同差向異構(gòu)反應(yīng)，一個反應(yīng)產(chǎn)生GDP-L-半乳糖，另一個反應(yīng)產(chǎn)生GDP-L-古洛糖，該酶作用于糖核苷水平上抗壞血酸生物合成的第一步；GDP-L-半乳糖磷酸化酶（GGP）可以催化GDP-L-半乳糖轉(zhuǎn)化成L-半乳糖-1-磷酸，在番茄抗壞血酸合成中可能起著關(guān)鍵的作用。分別超量表達番茄GME1和GME2基因都會導(dǎo)致番茄果實抗壞血酸含量增加，并且能增強其對非生物逆境的耐性（Zhang et al.，2011）?？箟难岢丝梢灾苯由?，還可以再生，脫氧抗壞血酸酶（DHAR）是抗壞血酸再生途徑的一個重要酶，Zou等（2006）克隆到了2個DHAR基因，其中DHAR1基因在番茄各個器官中都有表達，而DHAR2基因僅在葉片中表達?？箟难岽x途徑中形成相應(yīng)酶的基因的表達受多種因素的調(diào)控，番茄HZ24屬于HD-ZIP家族的轉(zhuǎn)錄因子，其表達水平與番茄抗壞血酸含量呈正相關(guān)，研究表明HZ24通過結(jié)合GMP3、GME2、GGP的啟動子調(diào)控這3個基因的表達，從而影響抗壞血酸的合成過程，HZ24的表達還受光調(diào)控，部分揭示了光影響抗壞血酸積累的分子機制（Hu et al.，2016）。

圖1 抗壞血酸代謝網(wǎng)絡(luò)（Ruggieri et al.，2016）

彩色圖版見《中國蔬菜》網(wǎng)站：www.cnveg.org，下圖同。

5 番茄果實中類胡蘿卜素的形成及其代謝機制

果實色澤是果實品質(zhì)的一項重要指標，番茄果實顏色豐富，其形成原因主要在于類胡蘿卜素組成的差異。類胡蘿卜素主要包括胡蘿卜素（番茄紅素、α-、β-、γ-胡蘿卜素等）和葉黃素兩大類，類胡蘿卜素本身及以其為前體物質(zhì)合成的脫落酸及一些維生素，對人體具有重要的保健作用。番茄紅素作為一種抗氧化劑，攝入番茄紅素可以降低癌癥和心血管疾病等慢性疾病的發(fā)病率（Agarwal &Rao，2000）。β-胡蘿卜素是VA合成的前體物質(zhì)，而VA是人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)，自身無法合成，只能靠膳食攝入，人體缺少VA會導(dǎo)致失明甚至死亡，所以食用富含β-胡蘿卜素的食物是人體補充VA的有效途徑（Mayne，1996）。

番茄果實成熟過程中果色改變的原因在于內(nèi)源色素含量的改變，在幼果期和綠熟期，果實中含有大量的葉綠素而呈現(xiàn)綠色；到達破色期時，番茄紅素開始大量合成，黃熟期時大量積累，到紅熟期時含量達到最大值使得果實為紅色；β-胡蘿卜素在果實成熟整個過程中含量先略有下降然后持續(xù)上升，紅熟期時達到最大含量；葉黃素含量變化規(guī)律與β-胡蘿卜素相似（程孫亮 等，2007）。

前人對類胡蘿卜素合成途徑已有較為詳細的研究，許多參與類胡蘿卜素生物合成途徑的基因已被分離與克隆，并進行了功能驗證。番茄中含有2種八氫番茄紅素合成酶（PSY）基因：PSY1和PSY2，其中PSY1主要在果實成熟期特異表達，負責果實成熟過程中類胡蘿卜素的合成；PSY2則主要在綠色組織中表達，負責類胡蘿卜素的合成（Dogbo et al.，1988）。將番茄PSY基因沉默后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因番茄類胡蘿卜素總量大幅度降低，而牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（GGPP）大量積累，因此推測PSY是類胡蘿卜素代謝途徑的限速酶（Bramley et al.，1992）。利用對達草滅的抗性克隆到八氫番茄紅素脫氫酶（PDS）基因（Chamovitz et al.，1990）。類胡蘿卜素異構(gòu)酶（CRTLSO）基因定位在番茄10號染色體上（Isaacson et al.，2002）。植物體類胡蘿卜素代謝途徑如圖2所示。

除去直接參與調(diào)控類胡蘿卜素代謝途徑的基因，大量非代謝途徑的基因也通過調(diào)控類胡蘿卜素代謝途徑中基因的表達，來調(diào)控番茄果實色澤。例如果實成熟突變體Cnr、Rin、Nor、hp成熟過程中的代謝發(fā)生變化從而影響最終的果實色澤（Giovannoni，2007）。對這些轉(zhuǎn)錄因子如何具體調(diào)控成熟相關(guān)基因表達的機制了解甚少，Martel等（2011）通過免疫共沉淀技術(shù)發(fā)現(xiàn)成熟相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子RIN（ripening inhibitor）能夠特異結(jié)合到PSY1基因的啟動子使其表達量降低而減少類胡蘿卜素的合成，并且這種特異性結(jié)合依賴于另一成熟轉(zhuǎn)錄因子CNR（colorless nonripening）。番茄SGR1基因編碼的SGR1蛋白可以直接與PSY1結(jié)合，降低其活性，從而減少番茄紅素的合成（Luo et al.，2013）。番茄BBX轉(zhuǎn)錄因子SlBBX20可以直接結(jié)合到番茄類胡蘿卜素合成關(guān)鍵基因PSY1的啟動子上誘導(dǎo)其表達，從而促進類胡蘿卜素的合成，為品質(zhì)改良提供了新的思路（Xiong et al.，2018）。

圖2 植物體類胡蘿卜素代謝途徑（Isaacson et al.，2002）

6 番茄果實中次生代謝物組分

前人對糖、酸、VC、類胡蘿卜素等代謝物的代謝途徑已有了詳盡的研究，番茄果實還具有其他一些次生代謝物，如類黃酮、生物堿、苯丙烷類以及芳香類物質(zhì)，這些次生代謝物也是番茄果實營養(yǎng)和風(fēng)味品質(zhì)形成的重要組分。

芳香物質(zhì)對番茄果實風(fēng)味品質(zhì)的形成起著重要的作用，在番茄果實成熟過程中，已鑒定出400多種芳香物質(zhì)，主要包括醇類、醛類、酮類、酯類、萜類及含硫化合物（Acree & Teranishi，1993）。許多相關(guān)合成途徑的酶和基因已被分離克隆，并且發(fā)現(xiàn)植物激素如乙烯參與調(diào)控芳香物質(zhì)的合成。

生物堿對人體具有毒害作用，Zhu等（2018）利用多組學(xué)（變異組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組）手段分析鑒定了番茄馴化過程中代謝物質(zhì)的變化情況，發(fā)現(xiàn)有46種甾醇糖基生物堿類物質(zhì)在馴化過程中含量會降低，并且獲得與其中44種物質(zhì)顯著相關(guān)的7個遺傳位點，因此在番茄育種過程中對這些位點的選擇可以顯著降低該類物質(zhì)的含量；同時發(fā)現(xiàn)對番茄單果質(zhì)量的選擇育種會影響番茄果實多種代謝物質(zhì)的變化。Alseekh等（2015）利用76個潘那利番茄（S. pennellii）漸滲系鑒定出679個與次生代謝物質(zhì)有關(guān)的QTLs，通過遺傳力分析發(fā)現(xiàn)與初生代謝物的QTLs相比，這些位點受環(huán)境的影響更小，并且分析了類黃酮途徑和生物堿途徑基因的表達情況以及轉(zhuǎn)錄因子對次生代謝物合成途徑的調(diào)控作用。MYB12轉(zhuǎn)錄因子在番茄植株中過量表達會導(dǎo)致果實中黃酮醇和綠原酸含量的增加，MYB12參與調(diào)控類黃酮途徑、芳香物代謝途徑基因的表達（Pandey et al.，2015）。

7 展望

番茄果實品質(zhì)是受多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳方式復(fù)雜，各位點間的連鎖性及其與環(huán)境間的復(fù)雜關(guān)系使得常規(guī)育種的優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮，從而限制了番茄果實品質(zhì)改良的進程。自1992年構(gòu)建了番茄第一張高密度遺傳連鎖圖譜后（Tanksley et al.，1992），利用栽培番茄和不同野生番茄構(gòu)建分離群體定位了一系列品質(zhì)相關(guān)的QTLs。對這些QTLs進行精細定位、連鎖分析、克隆到控制品質(zhì)形成的基因，并對其作用機制進行深入研究，以此從分子層面解析品質(zhì)形成的原因，進而實現(xiàn)番茄品質(zhì)的定向改良，克服常規(guī)育種的弊端。隨著基礎(chǔ)研究的不斷深入，如何進一步與實際應(yīng)用相結(jié)合值得探討。