西瓜果實成熟乙烯調控的生理及分子機制初探.pdf

1、植物肉質果實成熟是高度復雜但協(xié)調有序的遺傳調控過程。乙烯已被明確為控制呼吸躍變型果實成熟的關鍵激素。近年來，在部分非呼吸躍變型果實如草莓、葡萄、柑橘等中同樣也發(fā)現(xiàn)乙烯參與了其成熟調控過程，并已取得重要研究進展。西瓜傳統(tǒng)上被劃分為非呼吸躍變型果實。與野生西瓜不同，栽培西瓜成熟時果肉顏色、質地、風味等均發(fā)生顯著變化，但其成熟機理尚知之甚少。本論文以果實成熟調控研究模式作物番茄為參照，通過早熟栽培西瓜品種97103和不能成熟的野生西瓜種質PI

2、296341-FR進行生理生化及轉錄組的對比分析，系統(tǒng)研究了乙烯在參與西瓜果實成熟中的作用及其生理與分子調控機制，重點對差異顯著表達的ERF基因ClERF069進行了功能驗證，取得如下主要結果:
　　1、西瓜果肉組織中乙烯合成水平很低，但可能在成熟調控中發(fā)揮重要作用。西瓜果實釋放乙烯量極低以至難以測定，而果實組織內乙烯含量相對要高，且真實反映了其乙烯合成水平。栽培西瓜97103成熟期內果肉組織內乙烯水平大概只有呼吸躍變型果實番茄的

3、1/10，但成熟起始時（授粉后18天），果肉組織內乙烯含量明顯上升（增加了約3倍）并達到峰值。而野生西瓜PI296341-FR果肉組織內乙烯含量整個發(fā)育期基本穩(wěn)定維持在較低的水平。用外源乙烯處理兩個西瓜品種，栽培西瓜97103授粉后10天和授粉后18天的果肉組織明顯變軟，顏色發(fā)育明顯加快，主要色素物質番茄紅素、β-胡蘿卜素等相比對照明顯增加。而野生西瓜PI296341-FR果肉組織也明顯變軟，但瓤色未發(fā)生變化。以上結果說明，乙烯可能在西

4、瓜果實軟化以及類胡蘿卜素合成的瓤色發(fā)育等成熟性狀代謝調控中充當重要角色。
　　2、西瓜發(fā)育成熟過程中，兩個ACS基因和兩個ACO基因在果肉組織乙烯合成代謝中起關鍵作用，可能也是構成類似呼吸躍變型果實的乙烯合成系統(tǒng)Ⅱ的重要成員。栽培西瓜97103和野生西瓜PI296341-FR發(fā)育成熟過程中，果肉組織內ACS和ACO酶活性變化與乙烯含量之間表現(xiàn)出同步性。西瓜全基因組上共鑒定出八個ACS基因和八個ACO基因。通過qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn)

5、整個發(fā)育成熟過程中，ACS基因Cla022653、Cla011522和ACO基因Cla014827、Cla016287在兩個品種果肉組織內的表達量均與ACS、ACO酶活性以及乙烯含量之間存在同步性。用外源乙烯處理，97103西瓜果肉組織內源乙烯含量顯著增加，說明西瓜果肉中乙烯合成具有類似呼吸躍變型果實自我催化的乙烯合成系統(tǒng)Ⅱ特性。這種類似的乙烯合成系統(tǒng)Ⅱ不僅存在于西瓜成熟果肉組織內（授粉后18天），在未成熟果肉組織中（授粉后10天）也同

6、樣存在。ACS基因Cla011522、Cla022653以及ACO基因Cla014827、Cla016287表達量均受外源乙烯誘導而上升，說明這四個基因在西瓜果實成熟過程中對乙烯合成起重要作用，可能也是構成乙烯合成系統(tǒng)Ⅱ的重要成員。
　　3、基于轉錄組數(shù)據(jù)進行差異表達和共表達分析，發(fā)現(xiàn)NAC、HD-Zip、ERF等多個基因家族轉錄因子可能調控了西瓜果實乙烯合成。結合基因組注釋和西瓜97103、PI296341-FR不同發(fā)育成熟時期

7、的果皮、果肉組織的轉錄組測序數(shù)據(jù)分析，我們對乙烯信號轉導以及乙烯上游調控相關轉錄因子等相關基因進行差異表達分析和共表達分析，得到幾個在西瓜成熟過程中可能參與乙烯合成調控的轉錄因子基因，如MADS-box家族基因Cla017291、NAC家族基因Cla019099、HD-Zip家族基因Cla017080等。同時分析還發(fā)現(xiàn)，多個ERF基因在表達上與成熟呈正相關或負相關，而且與乙烯合成、信號轉導、NAC和MADS-box轉錄因子以及類胡蘿卜素

8、合成及果實軟化等成熟代謝關鍵酶基因間都存在共表達關系，形成了以其為核心的共表達基因簇。因此，在乙烯信號介導的成熟調控及乙烯合成調控中ERF家族基因可能起到非常重要的作用。
　　4、西瓜ERF基因ClERF069轉化番茄并過表達發(fā)現(xiàn)，番茄果實乙烯合成受到抑制且果實成熟延遲?；谠耘辔鞴?7103和PI296341-FR雜交形成的重組自交系群體進行了成熟相關性狀的QTL精細定位結果，進一步對控制類胡蘿卜素和可溶性糖合成的主定位區(qū)間內4

9、00多個基因進行轉錄譜差異表達篩選，得到一個重要的ERF家族候選基因Cla013424，并命名為ClERF069。qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn)，RILs群體中果肉組織番茄紅素和可溶性糖含量與ClERF069基因表達量之間呈負相關。在此研究基礎上，通過農桿菌介導的葉盤轉化法將CaMV35S∶ClERF069轉入M82番茄中過表達，獲得轉基因番茄T2代多個株系，發(fā)現(xiàn)ClERF069基因過表達的番茄果實番茄紅素和β-胡蘿卜素含量降低，果實成熟時間延