植物的代谢产物除了对植物的生长、发育和抗逆等生理活动有重要功能外，也是人类社会重要的膳食营养来源、药用成分来源以及工业原料来源。研究重要植物代谢产物的合成途径和调控机制具有重要的科学意义和经济价值。

近日，四川大学生命科学学院张阳课题组在《Nature Communications》上发表了题为"Understanding the mechanism of red light-induced melatonin biosynthesis facilitates the engineering of melatonin-enriched tomatoes"的研究论文。提出了通过解析环境因子影响关键代谢物合成的调控机制，实现营养品质设计育种的新思路。

由于不能移动，植物进化出了复杂的响应机制来适应不断的变化环境。这其中，关键代谢物的改变是一个重要方面。同一种植物在不同的环境下可以表现出完全不同的代谢水平，从而显著改变营养品质或者药用价值。反过来，如果能解析关键代谢品质在特定环境下的代谢调控机制，就可以为栽培技术提升、设施改良和新种质创制提供新的方向。

基于以上思路，四川大学张阳团队选择在番茄中解析关键代谢物褪黑素的合成途径和环境调控机制，创制褪黑素营养强化的番茄新种质。褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺，Melatonin）是自然界中存在于绝大多数生物有机体中的一种功能保守的广谱生理调节剂，对动植物生命进程均有重要的生理学意义。在植物中，褪黑素主要作为生长促进剂和抗氧化剂行使功能，具有延缓衰老、增强光合作用、调节光周期、影响种子萌发和根形态建成等生物活性，能有效提升植物对逆境的抵抗能力，有利于植物生存繁衍。

本研究在完整解析番茄果实褪黑素合成途径和红光响应机制的基础上（图1），利用CRISPR-Ca9技术创制了高含量褪黑素的番茄新种质 （图2）。针对 SlPIF4 结合 SlCOMT2 启动子的位点进行基因编辑，可以比直接敲除SlPIF4在正常光照下将褪黑素含量提升更多的倍数，并且只在原本表达褪黑素的时空加强表达量。这表明基于环境因子调控代谢途径的机制进行设计育种，可以显著提升农作物的营养品质。本工作为基于环境因子调控代谢途径机制创制优质农作物新种质提供了思路。

图1. 红光诱导番茄果实褪黑素合成的分子机制示意图

图2. 高含量褪黑素番茄的新种质创制

5657威尼斯特聘副研究员张子昕博士为本研究第一作者，张阳教授为通讯作者。海南大学王守创教授、中国农业科学院都市农业研究所杨晓博士以及四川大学刘明春教授参与了该课题。本项目得到了国家重点研发计划等相关项目的支持。