CaHAT5是一种HD-ZIP转录因子，在辣椒果实发育过程中对辣椒素类物质的生物合成具有正向调控作用

《Plant Science》：CaHAT5, an HD-ZIP transcription factor, positively regulates capsaicinoid biosynthesis during pepper fruit development

　　

苗丽|贾勤丽|白永青|文青|田世宇|穆罕默德·萨菲乌拉·维尔克|侯英辉|姚新传|何玉梅|卢立堂

生命科学学院，教育部山地植物资源保护与种质创新重点实验室，贵州大学，贵阳市550025，中华人民共和国

摘要

辣椒素是一类生物碱，主要在辣椒果实的胎盘中合成，赋予其辛辣的味道。果实发育是影响辣椒素生物合成和积累的关键内源过程之一。然而，关于果实发育过程中辣椒素生成分子机制的系统理解尚未建立。同源结构域-亮氨酸拉链（HD-ZIP）转录因子（TFs）是植物生长、发育和次生代谢的关键调节因子。在本研究中，我们利用不同发育阶段采集的辣椒果实胎盘的转录组数据和辣椒素积累谱，分析了HD-ZIP TFs的表达模式。我们发现HD-ZIP转录因子基因CaHAT5与辣椒素含量呈显著相关性，并将其作为进一步功能研究的候选基因。在辣椒果实中瞬时过表达CaHAT5显著上调了辣椒素合成酶基因CaAT3的表达，从而增加了辣椒素的含量。相反，病毒诱导的CaHAT5沉默导致CaAT3表达下调，辣椒素含量也相应降低。酵母单杂交、双荧光素报告系统和电泳迁移率测定表明，CaHAT5可以直接结合到CaAT3的启动子区域并增强其转录。总体而言，本研究表明CaHAT5在果实发育过程中正向调控CaAT3的表达，从而促进辣椒素的生物合成。这些发现为通过靶向CaHAT5进行分子育种以提高辣椒品质提供了理论支持。

引言

辣椒（Capsicum annuum L.）因其果实的独特辛辣味而具有重要的经济价值（Bongiorno等人，2023；Kazerooni等人，2021；Sun等人，2020）。辣椒素是一类仅存在于Capsicum属植物中的代谢物，决定了辣椒的独特辣味（Caterina等人，1997；Hu等人，2024）。它们能够保护果实免受动物侵害和真菌侵袭，并在医学、农业和环境保护领域具有广泛的应用前景（Tewksbury等人，2008；Wen等人，2022）。辣椒素还被用作镇痛剂，并可用于治疗神经系统疾病、癌症以及泌尿系统和消化系统疾病（Chapa-Oliver和Mejía-Teniente，2016；Egan等人，2019）。此外，还开发出了基于辣椒素的环境友好型产品，如驱虫剂、生物防污剂和驱鼠剂（Orosz等人，2024）。

辣椒素（CAP）和二氢辣椒素（DhCAP）是辣椒中主要的辣椒素成分，占总辣椒素含量的约90%（Al Othman等人，2011；Bai等人，2023；Chen等人，2025；Wang等人，2024）。辣椒素主要在胎盘表皮细胞中合成，随后被运输并储存在胎盘表面的囊泡中（Giordano等人，2023；2019；Nascimento等人，2014）。果实发育过程中，辣椒素的含量受内源性和外源性因素的影响，包括植物激素和环境条件（Lopez-Ortiz等人，2019；Sun等人，2022），这导致其生物合成和积累呈现动态变化：通常在果实成熟前10-20天（DPA）开始增加，在40-45 DPA时达到峰值，随后随果实成熟而减少（Fayos等人，2019）。这种时间依赖性的积累模式具有基因型特异性，在多种辣椒品种中均有观察到的现象（Fayos等人，2019；Sun等人，2022；Vázquez-Espinosa等人，2020a）。例如，在辛辣基因型（如‘Tampique?o 74’）中，辣椒素的积累在20 DPA开始，在30-40天达到峰值，在50-60天减少（Arce-Rodríguez和Ochoa-Alejo，2017）。果实发育过程中辣椒素生物合成和积累的动态变化表明这些过程涉及精确的转录调控网络。然而，该网络中的几个核心转录因子（TFs）尚未被鉴定。

同源结构域-亮氨酸拉链（HD-ZIP）——因其包含同源结构域（HD）和亮氨酸拉链结构域（LZ）而得名——是一类植物特有的转录因子（An等人，2025；Liu等人，2022）。这些TFs在植物生长、发育以及对生物和非生物胁迫的响应中发挥关键作用（Guo等人，2025；Yang等人，2025）。HD-ZIP成员可以直接控制番茄和苹果的果实成熟和重要次生代谢产物的产生。例如，在番茄（Lycopersicon esculentum）中，同源框-1（LeHB-1）调控果实成熟和器官发生，而RNAi介导的homeobox-亮氨酸拉链蛋白HAT5类似物（VAHOX1）的沉默可以加速果实成熟并增加总类胡萝卜素积累（Li等人，2022；Lin等人，2008）。同样，Malus domestica的同源框1（MdHB1）也与苹果中类胡萝卜素的积累有关（Jiang等人，2017）。

尽管尚未报道HD-ZIP家族在辣椒素生物合成中的直接作用，但已有研究表明它们可以调控植物中多种次生代谢产物的合成，如类胡萝卜素和花青素。因此，在本研究中，我们探讨了HD-ZIP家族的作用。我们利用不同发育阶段胎盘组织的转录组数据分析了HD-ZIP家族基因的表达与辣椒素含量之间的关联，并筛选了转录因子基因CaHAT5。进一步通过瞬时过表达、病毒诱导的基因沉默（VIGS）、酵母单杂交（Y1H）、双荧光素报告系统（DLRA）和电泳迁移率测定（EMSA）等技术，系统地证明了CaHAT5通过直接结合并激活关键基因CaAT3的启动子来促进辣椒素的生物合成。

章节片段

植物材料

本实验使用了来自贵州大学生命科学院的辣椒（Capsicum annuum L.）品种‘Yijiao 1807’。辣椒植株在16/8小时的光照周期下生长，白天和夜晚的温度分别为25°C和20°C。

在果实发育20、30、37、45和55 DPA时采集样本。解剖果实后，立即将胎盘浸入液氮中，并将样品保存在-80°C的冰箱中以备后续使用。

三次

辣椒素的含量在果实发育过程中受到调节。因此，我们选择了五个关键发育阶段的果实来研究果实发育与辣椒素积累之间的关系。随着果实发育，果实颜色从鲜绿色逐渐变为深绿色，随后经历一个颜色变化期，最终完全成熟（图1）。果实长度也随之逐渐增加。由于辣椒素主要在辣椒的胎盘中合成，因此胎盘

胎盘是辣椒中辣椒素合成的主要部位，辣椒素的积累具有明显的发育阶段特异性。在果实发育过程中，辣椒素含量在37 DPA时达到峰值，随后逐渐下降（图1B-D）。这一趋势与文献中的报道一致：辣椒素在20 DPA时即可检测到，其含量在40 DPA左右达到峰值，然后下降（Yang等人，2024）。尽管峰值的确切时间

在果实发育过程中，CaHAT5影响了辣椒中的辣椒素含量。辣椒素的浓度先增加，随后随着果实发育而减少。CaHAT5是一种定位于细胞核中的转录因子。通过瞬时过表达实验确立了CaHAT5对关键合成基因CaAT3的正向调控作用，这一结论通过VIGS得到了进一步验证。Y1H、DLRA和EMSA的结果表明，CaHAT5可以结合到CaAT3的启动子并增强其转录

(Bai等人，2023；Chen等人，2025)

本研究得到了以下项目的支持：贵州省古代茶种质的精准育种与创新利用（Qiankehe重大项目[2024]027）、Qiankehepingtai ZSYS专项基金[2025]027-3、贵州省高层次创新型人才“****”（Qiankehe平台人才GCC[2023]014）以及贵州省科技规划项目（Qiankehe支持[2022]通用057）。

贾勤丽：撰写——审稿与编辑、方法学、实验设计。白永青：撰写——审稿与编辑、方法学、实验设计。文青：撰写——审稿与编辑、软件使用、项目管理。何玉梅：撰写——审稿与编辑、资金筹集。卢立堂：撰写——审稿与编辑、数据验证、实验监督、资源协调、资金筹集。苗丽：撰写——初稿撰写、数据可视化、方法学设计、数据分析、概念构建。田世宇：撰写——

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