研究揭示果实成熟后更易腐烂的分子机理

　　对植物自身而言，果实的重要生理功能是为种子的发育提供庇护场所（成熟前）和传播载体（成熟后）。因而，多数果实成熟前并不好吃，而且含有各种对动物和微生物有害的防御性物质。这是因为在果实成熟前，种子还未发育成熟，植物利用包括茉莉酸信号通路在内的多种防御机制保护种子的正常发育。一旦种子发育成熟，果实就进入成熟阶段，变得色香味俱全，同时将抗性“解除”。植物展示的这些“友好”信号会吸引动物和微生物“取食”，从而帮助其传播种子。对植物而言，这一在长期进化过程中形成的复杂而精细的机制有助于其繁衍生息。而对人类而言，果实成熟后更容易受死体营养型病原菌侵害而腐烂，这往往导致严重的采后损失。虽然延缓果实成熟可以提高果实对死体营养型病原菌的抗性，但是由于果实的营养品质和风味品质在成熟后才能完全形成，这使得品质与抗性不可兼得。因此，深入研究果实成熟过程中品质形成与抗性降低的分子机理以及二者的互作机制，对育种中打破优质与高抗负相关具有指导意义。

 

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李传友团队长期以番茄为模式研究植物防御病虫侵害与果实品质形成的分子机制，并应用于育种。该团队先前工作解析了乙烯调控番茄果实成熟的分子网络，从转录调控的角度回答了“为什么果实成熟后就色香味俱全”。他们发现乙烯信号途径核心转录因子EIL与转录中介体亚基MED25形成功能复合体，直接或间接（通过下游次级转录因子）调控果实软化、色素代谢和风味物质合成等品质形成相关基因的表达。同时，EIL–MED25还与下游转录因子形成正负反馈回路来维持成熟过程中的乙烯稳态。

 

　　2月7日，李传友团队等以TomatoCYP94C1inactivates bioactive JA-Ile to attenuate jasmonate-mediated defense during fruit ripening为题，在《分子植物》（Molecular Plant）在线发表研究论文。相关研究发现EIL在调控番茄品质形成相关基因表达的同时，靶向激活茉莉酸代谢基因CYP94C1的表达，从而消减茉莉酸介导的抗性，回答了“为什么成熟的果实更容易受死体营养型病原菌的侵害”。

 

　　研究发现，在果实的成熟过程中，乙烯的生物合成量迅速上升，而活性茉莉酸JA-Ile的水平急剧下降。与之相一致的是，乙烯调控的品质形成相关基因在果实成熟过程中上调表达，而茉莉酸调控的防御相关基因则在该过程中下调表达。此外，合成受茉莉酸正向调控的番茄碱，其水平也在果实成熟过程中急剧下降。茉莉酸水平的下降以其介导的抗性反应的下降本身就是果实成熟的内在组成部分。

 

　　在拟南芥中，Cytochrome P450 94（CYP94）家族的成员通过ω-氧化使JA-Ile失活。其中，AtCYP94B1和AtCYP94B3将活性形式的JA-Ile转化为低活性的12-OH-JA-Ile，而AtCYP94C1则可以进一步将12-OH-JA-Ile转化为无活性的12-COOH-JA-Ile。拟南芥的这三个基因均受机械损伤诱导表达。序列分析结果发现，番茄基因组一共编码3个CYP94B氧化酶（CYP94B1、CYP94B2和CYP94B3）和2个CYP94C氧化酶（CYP94C1和CYP94C2）。有趣的是，与其他成员不同，CYP94C1的表达受成熟强烈诱导，而不受机械损伤诱导。体外酶活试验表明CYP94C1可以将JA-Ile转化为无活性的12-COOH-JA-Ile。而敲除CYP94C1可显著提高成熟果实中的JA-Ile含量，进而提高果实对死体营养型病原菌的抗性。上述结果表明，CYP94C1在果实成熟过程中被特异诱导表达，从而使JA-Ile失活，进而消减茉莉酸介导的抗性反应。

 

　　进一步研究发现，乙烯信号途径核心转录因子EIL直接结合到CYP94C1的启动子区，从而激活后者的表达。可见，在果实成熟前，植物利用防御激素茉莉酸来保护发育中的种子。一旦种子成熟，植物就利用成熟激素乙烯来实现“一石二鸟”的作用。一方面，利用乙烯促进品质形成，从而吸引动物取食。另一方面，利用乙烯将活性形式的茉莉酸代谢掉，从而“解除”茉莉酸介导的抗性，使果实更容易受死体营养型病原菌侵害而腐烂。这两方面的作用均有助于种子的传播。

 

　　需要强调的是，敲除CYP94C1特异提高了果实对死体营养型病原菌的抗性，而不改变果实的成熟过程，因而对糖含量、酸含量、番茄红素含量和维生素C含量没有影响。因此，该研究不仅揭示了果实成熟过程中抗性降低的分子机理，而且为育种中解决品质与抗性相矛盾的关系、减少采后损失提供了基因靶标和技术手段。

 

　　相关研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。

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