Plant Cell | 四川大学刘明春团队揭示ERF转录因子在果实叶绿素代谢中的“双保险”调节机制

光合作用是植物能量转化的核心过程，其效率在很大程度上依赖于叶绿素分子的稳态维持。解析叶绿素生物合成与代谢的分子遗传机制，一直是植物科学领域的前沿课题。以番茄（Solanum lycopersicum）果实发育为例，其从青绿到红熟的典型转色过程，本质上是叶绿素代谢动态调控的生物学体现。在幼果发育阶段，叶绿素的高效积累驱动光合碳同化；而在成熟启动阶段，叶绿素的程序性降解则触发质体转化。这种“叶绿素合成-降解”的精准时序调控，影响了果实的商品品质与营养属性。然而，调控该平衡的关键转录因子及其分子通路尚未得到系统的阐明。

近日，四川大学生命科学学院刘明春教授课题组在国际知名植物学期刊The Plant Cell在线发表题为The bifunctional transcription factor DEAR1 oppositely regulates chlorophyll biosynthesis and degradation in tomato fruits的研究论文，解析了“SlHY5–SlDEAR1–SlPOR1/SlSGR1”转录调控模块在番茄果实中叶绿素积累的分子机制，为通过分子手段操纵果实颜色及碳水化合物含量提供了重要的理论依据和潜在的分子靶标。

该研究在番茄中鉴定到一个光诱导型AP2/ERF家族基因SlDEAR1。通过对SlDEAR1敲除突变体及过表达材料进行表型分析，发现SlDEAR1可显著促进未成熟果实中叶绿素的积累以及叶绿体的发育，进而使果实颜色加深。此外，SlDEAR1还能促使果实内蔗糖、葡萄糖和果糖含量显著提高，且这种促进作用在果实成熟期表现得尤为明显。为了探究SlDEAR1发挥作用的分子机制，研究团队通过Dual-Luc、EMSA、ChIP等一系列实验手段，证明了SlDEAR1能够凭借其C端的EAR抑制基序招募TOPLESS 2（TPL2）-组蛋白去乙酰化酶1/3（HDA1/3），使SlSGR1基因启动子区域的组蛋白乙酰化水平降低，进而导致基因转录受到抑制。与此同时，研究人员在SlDEAR1及其同源蛋白中鉴定出一段保守基序（RKK-motif），通过对SlDEAR1进行截短和突变发现，RKK基序对于SlDEAR1发挥对SlPOR1基因的转录激活作用是不可或缺的。基于以上结果，该研究揭示了SlDEAR1通过“激活合成”与“抑制分解”协同促进叶绿素积累的分子机制。

双功能转录因子SlDEAR1在光诱导果实叶绿素积累中的功能A、果实发育成熟表型；B、叶绿体发育；C、叶绿素含量；D、SlDEAR1的氨基酸保守序列及截短/突变示意图；E、SlDEAR1与TPL的互作；F、SlSGR1启动子区域的组蛋白乙酰化水平；G、SlHY5对SlDEAR1表达的影响。

bZIP型转录因子ELONGATED HYPOCOTYL5（HY5）是调控植物光形态建成的核心因子。本研究发现，Slhy5突变体果实的叶绿素积累表型与SlDEAR1敲除系相似，且SlDEAR1对光照的响应依赖于SlHY5的存在。进一步实验证明，SlHY5无法直接调控SlPOR1与SlSGR1的转录表达，但能够与SlDEAR1启动子中G-box顺式作用元件特异性结合，从而激活SlDEAR1的转录水平。此外，SlHY5还能够加强SlDEAR1对SlPOR1（激活）和SlSGR1（抑制）的转录调控作用。

综上，该研究揭示了“SlHY5-SlDEAR1-SlPOR1/SlSGR1”模块在光诱导果实叶绿素积累中的关键调控作用，明确了“光-SlHY5”下游的转录因子SlDEAR1在叶绿素代谢过程中的重要功能。在未来的研究中，将SlDEAR1作为育种的分子靶点，或直接对其进行定向改造，有望提高弱光条件下番茄果实光合效率，为园艺作物在光照受限地区的高效生产提供了重要的应用前景。

SlDEAR1在调节番茄果实叶绿素积累中的作用模式

四川大学生命科学学院刘明春教授为该论文独立通讯，已毕业博士裴艳刚（现四川农业大学园艺学院副教授）、博士研究生何小清和已毕业硕士研究生薛启寒为该论文共同第一作者。法国图卢兹大学Mondher Bouzayen教授、英国华威大学洪益国教授、四川农业大学龚荣高教授、山西农业大学王威浩教授、西南科技大学邓恒副教授等参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金等课题和项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf167