研究揭示果實(shí)成熟后更易腐爛的分子機(jī)理
2024年02月22日來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院
對(duì)植物自身而言，果實(shí)的重要生理功能是為種子的發(fā)育提供庇護(hù)場(chǎng)所（成熟前）和傳播載體（成熟后）。因而，多數(shù)果實(shí)成熟前并不好吃，而且含有各種對(duì)動(dòng)物和微生物有害的防御性物質(zhì)。這是因?yàn)樵诠麑?shí)成熟前，種子還未發(fā)育成熟，植物利用包括茉莉酸信號(hào)通路在內(nèi)的多種防御機(jī)制保護(hù)種子的正常發(fā)育。一旦種子發(fā)育成熟，果實(shí)就進(jìn)入成熟階段，變得色香味俱全，同時(shí)將抗性“解除”。植物展示的這些“友好”信號(hào)會(huì)吸引動(dòng)物和微生物“取食”，從而幫助其傳播種子。對(duì)植物而言，這一在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的復(fù)雜而精細(xì)的機(jī)制有助于其繁衍生息。而對(duì)人類(lèi)而言，果實(shí)成熟后更容易受死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌侵害而腐爛，這往往導(dǎo)致嚴(yán)重的采后損失。雖然延緩果實(shí)成熟可以提高果實(shí)對(duì)死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌的抗性，但是由于果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)在成熟后才能完全形成，這使得品質(zhì)與抗性不可兼得。因此，深入研究果實(shí)成熟過(guò)程中品質(zhì)形成與抗性降低的分子機(jī)理以及二者的互作機(jī)制，對(duì)育種中打破優(yōu)質(zhì)與高抗負(fù)相關(guān)具有指導(dǎo)意義。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李傳友團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以番茄為模式研究植物防御病蟲(chóng)侵害與果實(shí)品質(zhì)形成的分子機(jī)制，并應(yīng)用于育種。該團(tuán)隊(duì)先前工作解析了乙烯調(diào)控番茄果實(shí)成熟的分子網(wǎng)絡(luò)，從轉(zhuǎn)錄調(diào)控的角度回答了“為什么果實(shí)成熟后就色香味俱全”。他們發(fā)現(xiàn)乙烯信號(hào)途徑核心轉(zhuǎn)錄因子EIL與轉(zhuǎn)錄中介體亞基MED25形成功能復(fù)合體，直接或間接（通過(guò)下游次級(jí)轉(zhuǎn)錄因子）調(diào)控果實(shí)軟化、色素代謝和風(fēng)味物質(zhì)合成等品質(zhì)形成相關(guān)基因的表達(dá)。同時(shí)，EIL–MED25還與下游轉(zhuǎn)錄因子形成正負(fù)反饋回路來(lái)維持成熟過(guò)程中的乙烯穩(wěn)態(tài)。
2月7日，李傳友團(tuán)隊(duì)等以TomatoCYP94C1inactivates bioactive JA-Ile to attenuate jasmonate-mediated defense during fruit ripening為題，在《分子植物》（Molecular Plant）在線(xiàn)發(fā)表研究論文。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)EIL在調(diào)控番茄品質(zhì)形成相關(guān)基因表達(dá)的同時(shí)，靶向激活茉莉酸代謝基因CYP94C1的表達(dá)，從而消減茉莉酸介導(dǎo)的抗性，回答了“為什么成熟的果實(shí)更容易受死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌的侵害”。
研究發(fā)現(xiàn)，在果實(shí)的成熟過(guò)程中，乙烯的生物合成量迅速上升，而活性茉莉酸JA-Ile的水平急劇下降。與之相一致的是，乙烯調(diào)控的品質(zhì)形成相關(guān)基因在果實(shí)成熟過(guò)程中上調(diào)表達(dá)，而茉莉酸調(diào)控的防御相關(guān)基因則在該過(guò)程中下調(diào)表達(dá)。此外，合成受茉莉酸正向調(diào)控的番茄堿，其水平也在果實(shí)成熟過(guò)程中急劇下降。茉莉酸水平的下降以其介導(dǎo)的抗性反應(yīng)的下降本身就是果實(shí)成熟的內(nèi)在組成部分。
在擬南芥中，Cytochrome P450 94（CYP94）家族的成員通過(guò)ω-氧化使JA-Ile失活。其中，AtCYP94B1和AtCYP94B3將活性形式的JA-Ile轉(zhuǎn)化為低活性的12-OH-JA-Ile，而AtCYP94C1則可以進(jìn)一步將12-OH-JA-Ile轉(zhuǎn)化為無(wú)活性的12-COOH-JA-Ile。擬南芥的這三個(gè)基因均受機(jī)械損傷誘導(dǎo)表達(dá)。序列分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，番茄基因組一共編碼3個(gè)CYP94B氧化酶（CYP94B1、CYP94B2和CYP94B3）和2個(gè)CYP94C氧化酶（CYP94C1和CYP94C2）。有趣的是，與其他成員不同，CYP94C1的表達(dá)受成熟強(qiáng)烈誘導(dǎo)，而不受機(jī)械損傷誘導(dǎo)。體外酶活試驗(yàn)表明CYP94C1可以將JA-Ile轉(zhuǎn)化為無(wú)活性的12-COOH-JA-Ile。而敲除CYP94C1可顯著提高成熟果實(shí)中的JA-Ile含量，進(jìn)而提高果實(shí)對(duì)死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌的抗性。上述結(jié)果表明，CYP94C1在果實(shí)成熟過(guò)程中被特異誘導(dǎo)表達(dá)，從而使JA-Ile失活，進(jìn)而消減茉莉酸介導(dǎo)的抗性反應(yīng)。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，乙烯信號(hào)途徑核心轉(zhuǎn)錄因子EIL直接結(jié)合到CYP94C1的啟動(dòng)子區(qū)，從而激活后者的表達(dá)?？梢?jiàn)，在果實(shí)成熟前，植物利用防御激素茉莉酸來(lái)保護(hù)發(fā)育中的種子。一旦種子成熟，植物就利用成熟激素乙烯來(lái)實(shí)現(xiàn)“一石二鳥(niǎo)”的作用。一方面，利用乙烯促進(jìn)品質(zhì)形成，從而吸引動(dòng)物取食。另一方面，利用乙烯將活性形式的茉莉酸代謝掉，從而“解除”茉莉酸介導(dǎo)的抗性，使果實(shí)更容易受死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌侵害而腐爛。這兩方面的作用均有助于種子的傳播。
需要強(qiáng)調(diào)的是，敲除CYP94C1特異提高了果實(shí)對(duì)死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌的抗性，而不改變果實(shí)的成熟過(guò)程，因而對(duì)糖含量、酸含量、番茄紅素含量和維生素C含量沒(méi)有影響。因此，該研究不僅揭示了果實(shí)成熟過(guò)程中抗性降低的分子機(jī)理，而且為育種中解決品質(zhì)與抗性相矛盾的關(guān)系、減少采后損失提供了基因靶標(biāo)和技術(shù)手段。
相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等的支持。
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