Plant Cell | 南方科技大学郭红卫课题组揭示乙烯参与番茄果实生长和成熟的调控机制

责编 | 王一

肉质果实在自然界广泛存在，已成为人们日常饮食生活中不可或缺的营养来源。从进化角度来看，为了保护种子的发育，幼果果实一般表现为质地坚硬、口感不佳、甚至具有毒性；而一旦种子发育完全而获得传代能力，果实几乎同时启动成熟，通过颜色转变、质地软化、风味形成等过程吸引捕食者的采摘并最终完成种子传播。无疑，这一优雅演化策略背后存在一个十分复杂又精细的调控网络，因此，对果实发育和成熟的分子机制研究一直备受关注，更重要的是，研究结果有望对果实品质的遗传改良提供重要的理论和实践指导意义。

植物气体激素乙烯因其催化果实成熟的能力而广为人知，据记载，古代中国人很早就知道利用焚香来促进梨的成熟，这背后其实就是利用了燃香过程中产生的乙烯。根据果实成熟过程中呼吸速率的变化，肉质果实又被分为呼吸跃变型（如番茄、香蕉、苹果等）和非呼吸跃变型（如草莓、柑橘、葡萄等），跃变型果实成熟一个典型的特点就是伴随呼吸强度的上升，乙烯含量也会有数十到数百倍的增加。虽然大量的研究已经确证了乙烯是跃变型果实成熟最为重要的调控因子，然而目前关于乙烯具体如何整合果实内部的发育信号的认识仍不清楚。具体地说，果实生长期相对低剂量的乙烯和果实成熟期乙烯大量生成背后的机制以及对应的生物学意义是什么？

5月23日，南方科技大学生命科学学院讲席教授郭红卫课题组在The Plant Cell发表了题为“A molecular framework of ethylene-mediated fruit growth and ripening processes in tomato”的研究论文，揭示了乙烯参与番茄果实生长和成熟的调控机制。该研究为植物气体激素乙烯参与调控番茄果实生长提供了新的见解，并对呼吸跃变型果实的成熟机制作出全新阐述。

一直以来，番茄被当作研究果实作物尤其是呼吸跃变型果实发育和成熟机制的最重要模式物种。果实的完整生命周期大致可分为三个阶段：坐果，生长，成熟。大量的研究表明乙烯是番茄果实成熟过程中最重要的正调控因子，近期的研究还发现乙烯可负调控番茄坐果过程，然而，目前关于乙烯参与调控番茄果实生长的认识比较模糊。此外，随着新一代基因编辑技术CRISPR/Cas9的兴起发现，番茄多个自然突变体如rin，nor等的基因敲除株系表现出比自然突变体温和得多的成熟缺陷表型（Brumos, 2021；Wang et al., 2020），鉴于目前跃变型果实成熟的调控模型很大程度上建立在先前认知中rin，nor等自然突变体乙烯合成完全受阻、果实完全无法成熟的基础上，该模型目前受到了极大的挑战并迫切需要进行修正。

郭红卫教授课题组一直运用拟南芥从事乙烯信号转导的机制研究工作，积累了大量关于乙烯功能的认识和研究经验。基于乙烯信号转导因子在不同植物中具有较强保守性的特点，首先选取番茄乙烯信号核心因子SlEIN2作为切入点。CRISPR/Cas9介导的slein2基因敲除株具有和自然突变体rin，nor一样完全无法成熟的表型，而slein2背景下分别过表达RIN，NOR，FUL1等成熟相关转录因子编码基因可以部分恢复slein2的成熟表型，表明这些转录因子在乙烯信号下游发挥成熟调控功能。进一步，对SlEIN2下游信号基因SlEIL1，SlEIL2，SlEIL3，SlEIL4，SlEBF1，SlEBF2，和SlEBF3的基因敲除株系的鉴定发现这些信号转导因子功能上既冗余又功能分化的现象。slebf1单基因突变体可部分恢复slein2的成熟表型，而这种恢复可被自然突变体rin，nor所抵消，再次表明rin，nor突变体所代表的成熟相关MADS-box和NAC转录因子相对乙烯信号具有遗传上位性。

有意思的是，该研究还发现slein2表现出很强的果实发育受阻的表型，暗示乙烯可正调控果实生长。进一步研究表明其部分原因是由于乙烯突变体中种子发育受阻导致生长素合成减少，从而引起幼果中细胞分裂被抑制。该研究证明乙烯参与了番茄果实全生命周期的发育调控，由于已有报道表明高浓度外源乙烯前体施加或内源乙烯信号增强同样会造成果实变小，研究者推测番茄果实的生长依赖于乙烯信号的最适浓度，这与先前揭示的黄瓜果实生长过程中的双相乙烯响应模型一致（Xin et al., 2019）。

左图，CRISPR/Cas9介导的番茄乙烯信号核心因子SlEIN2功能缺失突变表型；右图，乙烯调控番茄果实生长和成熟的线性化模型。

值得一提的是，该研究并非对前人工作的否定，而恰恰是利用最新的遗传学方法弥补了先前方法的不足，进而推动相关领域的认知和发展的又一例证。该研究中仍大量使用了rin，nor自然突变体而不是rin-KO, nor-KO基因敲除株系也正是因为自然突变体中的dominant-negative效应表明成熟相关的多个MADS-box和NAC转录因子成员（而非某单个基因）的协同作用依然是果实成熟的关键调控因子。

南方科技大学原高级研究学者黄伟博士（现华大生命科学研究院副研究员）为论文第一作者，郭红卫教授为论文通讯作者，课题组成员肖志娜、裘喻平、杨捷、毛鑫、杨琰、王益川参与研究工作，重庆大学生命科学学院胡楠博士、李正国教授也作了重要贡献。该研究得到国家自然科学基金、广东省植物细胞工厂分子设计重点实验室基金、深圳市科创委的资助。

相关文献：

Brumos, J.(2021). Gene regulation in climacteric fruit ripening. Curr. Opin. Plant Biol.63:102042.

Wang, R., Angenent, G. C., Seymour, G., and de Maagd, R. A.(2020). Revisiting the role of master regulators in tomato ripening. Trends Plant Sci.1:291-301.

Xin, T. X., Zhang, Z., Li, S., Zhang, S., Li, Q., Zhang, Z. H., Huang, S. W., and Yang, X. Y.(2019). Genetic regulation of ethylene dosage for Cucumber fruit elongation. Plant Cell31:1063-1076.

文章链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac146