糖代谢和ABA信号转导关键基因调控桃果实成熟的分子机制

来源 :中国农业科学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cyzmie
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果实成熟的调控受多种因素影响,包括糖类、植物激素和转录因子等。糖是果实甜味形成的重要物质,同时还参与果实成熟期ABA等激素的调控,目前关于桃果实成熟过程中糖合成代谢路径仍缺乏足够的认识;植物激素ABA参与调控跃变型和非跃变型果实成熟,但ABA在呼吸跃变型果实成熟过程中的具体作用仍不清晰;冷藏作为一种可以延长采后寿命的技术在果蔬类作物中广泛应用,然而桃果实在长期低温冷藏会发生冷害,长期低温诱导ABA的产生,碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,b ZIP)转录因子,在ABA信号路径下游扮演着重要的角色,参与非生物应激反应。目前为止,桃果实中b ZIP转录因子对冷害反应的分子调控机制尚不清楚。本研究探讨了糖代谢、ABA信号转导以及b ZIP家族基因在桃果实成熟和冷害过程中的作用。主要结果如下:1、明确了桃果实成熟过程中果实蔗糖、葡萄糖、山梨醇和果糖的变化规律,发掘了参与糖代谢的13个关键基因。本研究通过高压液相色谱(HPLC)对桃(Prunus persica)六个发育期的糖含量进行测定。糖含量在果实发育成熟过程中存在变异,蔗糖先升高后降低;葡萄糖和果糖先降低后升高,山梨糖醇则一直降低。进一步分析了蔗糖代谢、再合成和转运的关键酶和转运蛋白共30个基因的转录谱。其中,蔗糖磷酸酶合酶(Pp SPS4和Pp SPS2)、己糖激酶(Pp HK1和Pp HK3)、中性/天然转化酶(Pp NINV1和Pp NINV2)、液泡酸性转化酶(Pp VAINV2)、蔗糖转运蛋白(Pp SPS4和Pp SPS2)、葡萄糖转运蛋白(Pp HK1和Pp HK3)、Pp VGT3)和液泡膜单糖转运蛋白(Pp TMT1和Pp TMT2)共13个预测基因在桃果实成熟期高表达,发现Pp SPS4与葡萄糖、果糖呈显著正相关。推测由于Pp SPS4和Pp SPS2上调,使蔗糖在细胞质中积累,蔗糖通过Pp SUT2、Pp VGT1、Pp VGT2、Pp VGT3、Pp TMT1和Pp TMT2转运蛋白上调而导入液泡,蔗糖的裂解通过Pp VAINV2的上调表达完成。因此,随着桃果实成熟蔗糖含量下降。在果实成熟期(S4 II~S4 III),葡萄糖和果糖浓度升高。本研究将提高我们对桃果实糖代谢相关基因的认识,为进一步探索这些基因的功能和改善桃果实品质奠定基础。2、明确了桃果实成熟过程中ABA和乙烯的变化规律,发掘了2个可能参与调控果实成熟的ABA信号转导基因。本研究检测了溶质桃‘中油桃13号’果实成熟期的ABA和乙烯含量,发现ABA和乙烯均与果实成熟正相关。在S3和S4III期,ABA含量达到峰值。此外,ABA生物合成的关键酶Pp NCED2和Pp NCED3基因的表达与ABA积累的趋势相同。ABA和乙烯水平均在果实成熟后期达到峰值。同时,外源施加ABA也加速了乙烯的产生,果实硬度下降。这些结果表明,ABA不仅启动果实的进程,在果实成熟后期也伴随乙烯积累。采用生物信息学鉴定了ABA信号路径的7个Pp PYL(ABA受体),10个Pp PP2C(type 2C protein phosphatase),以及7个Pp Sn RK2(subfamily 2 of SNF1-related kinases)基因,进一步采用RT-q PCR分析了24个基因在果实成熟中的表达,发现Pp PP2C10(PRUPE_ppa005286mg)和Pp Sn RK2.6(PRUPE_ppa006108mg)与果实ABA积累相关,通过酵母双杂交和双分子荧光互补实验发现两个基因存在互作。推测Pp PP2C10和Pp Sn RK2.6在桃果实成熟过程中的ABA信号转导中发挥关键调节作用。3、明确了桃果实低温冷藏过程中ABA和乙烯的变化规律,鉴定了47个桃b ZIP转录因子家族基因,通过表达谱鉴定了其中2个可能参与果实冷害的b ZIP转录因子。本研究以溶质桃‘中油桃13号’为试材,采用低温(4°C)冷藏处理,结果发现,长时间低温冷藏诱导了乙烯的产生,果肉硬度下降,低温同时还诱导ABA积累。由于碱性亮氨酸拉链b ZIP转录因子参与ABA信号下游路径的调控,本研究通过生物信息学分析鉴定了桃47个Ppb ZIP基因。进一步基于RT-q PCR分析,发掘出18个Ppb ZIP基因在冷藏桃果实中有表达。其中,Ppb ZIP23和Ppb ZIP25在冷藏过程中明显降低,可能参与桃果实冷害。进一步分析2个基因的启动子发现,该区域包含MYC/MYB/ABREs结合元件,而没有DREs/CBFs元件,表明Ppb ZIP23和Ppb ZIP25可能通过ABA依赖的冷诱导途径调控的基因表达,从而响应桃果实冷害。
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