A family of methyl esterases converts methyl salicylate to salicylic acid in ripening tomato fruit

Resumo

O salicilato de metila confere um sabor e aroma potentes descritos como medicinal e wintergreen, indesejáveis no fruto do tomateiro (Solanum lycopersicum). As plantas controlam as quantidades de salicilato de metila por meio de várias vias biossintéticas, incluindo a metilação do ácido salicílico para formar salicilato de metila e a glicosilação subsequente para evitar a emissão de salicilato de metila. Aqui, identificamos uma subclasse de metilesterases do tomateiro, SALICYLIC ACID METHYL ESTERASE1‑4, responsável pela desmetilação do salicilato de metila para formar ácido salicílico nos frutos. Essa família foi identificada por proximidade a um locus de GWAS para salicilato de metila altamente significativo no cromossomo 2. Estudos de mapeamento genético em uma população biparental confirmaram um locus principal para salicilato de metila no cromossomo 2. Frutos de linhagens com knockout de SlMES1 emitiram significativamente (P < 0,05, teste t) mais salicilato de metila que frutos do tipo selvagem. Mutantes duplos e triplos de SlMES2, SlMES3 e SlMES4 emitiram ainda mais salicilato de metila que os knockouts simples de SlMES1 — mas não em níveis estatisticamente distinguíveis — em comparação com o mutante simples. SlMES1 e SlMES3 expressos heterologamente atuaram sobre o salicilato de metila in vitro, com SlMES1 tendo maior afinidade pelo salicilato de metila que SlMES3. O locus SlMES sofreu grande rearranjo, como demonstrado pela análise da estrutura genômica nos parentais da população biparental. A análise de acessos que produzem altos ou baixos níveis de salicilato de metila mostrou que os genes SlMES1 e SlMES3 foram mais expressos nas linhagens com baixo salicilato de metila. Nenhum dos genes MES foi apreciavelmente expresso nas linhagens produtoras de alto salicilato de metila. Concluímos que a família gênica SlMES codifica metilesterases do tomateiro que convertem salicilato de metila em ácido salicílico no fruto maduro. Sua capacidade de diminuir os níveis de salicilato de metila por conversão em ácido salicílico é um alvo atraente para o melhoramento visando reduzir o nível de um contribuinte negativo para o sabor.

Abstract

Methyl salicylate imparts a potent flavor and aroma described as medicinal and wintergreen that is undesirable in tomato (Solanum lycopersicum) fruit. Plants control the quantities of methyl salicylate through a variety of biosynthetic pathways, including the methylation of salicylic acid to form methyl salicylate and subsequent glycosylation to prevent methyl salicylate emission. Here, we identified a subclade of tomato methyl esterases, SALICYLIC ACID METHYL ESTERASE1-4, responsible for demethylation of methyl salicylate to form salicylic acid in fruits. This family was identified by proximity to a highly significant methyl salicylate genome-wide association study locus on chromosome 2. Genetic mapping studies in a biparental population confirmed a major methyl salicylate locus on chromosome 2. Fruits from SlMES1 knockout lines emitted significantly (P < 0,05, t test) higher amounts of methyl salicylate than wild-type fruits. Double and triple mutants of SlMES2, SlMES3, and SlMES4 emitted even more methyl salicylate than SlMES1 single knockouts—but not at statistically distinguishable levels—compared to the single mutant. Heterologously expressed SlMES1 and SlMES3 acted on methyl salicylate in vitro, with SlMES1 having a higher affinity for methyl salicylate than SlMES3. The SlMES locus has undergone major rearrangement, as demonstrated by genome structure analysis in the parents of the biparental population. Analysis of accessions that produce high or low levels of methyl salicylate showed that SlMES1 and SlMES3 genes expressed the highest in the low methyl salicylate lines. None of the MES genes were appreciably expressed in the high methyl salicylate-producing lines. We concluded that the SlMES gene family encodes tomato methyl esterases that convert methyl salicylate to salicylic acid in ripe tomato fruit. Their ability to decrease methyl salicylate levels by conversion to salicylic acid is an attractive breeding target to lower the level of a negative contributor to flavor.