浙江大学李莉团队揭示葡萄果实蜡质生物合成的调控新机制

果实蜡质是果实与外界环境接触的第一道屏障，具有提供果实光泽、防止果实开裂、减少水分散失、抵抗高温辐射、抵御病虫害入侵、延缓果实营养流失、提高果实抗逆性等功能。光照能够促进蜡质的生物合成和积累，从而延缓采后果实品质劣变。然而，迄今为止，光照调控果实蜡质生物合成的作用机制仍不明确。

近日，浙江大学李莉团队在Plant Physiology在线发表了题为“Light-responsive transcription factors VvHYH and VvGATA24 mediate wax terpenoid biosynthesis in Vitis vinifera”的研究论文，揭示了光响应转录因子VvHYH 和VvGATA24参与调控葡萄蜡质萜类化合物生物合成的分子机制。

李莉团队长期从事果实采后品质调控机制的研究，前期发现葡萄蜡质的主要成分是萜类化合物，其对维持采后果实的水分、色泽、光泽和质地起着至关重要的作用（Yang et al., 2021; Yang et al., 2023）。该研究比较了葡萄贮藏期间黑暗、蓝光和白光条件下的果实品质、蜡质晶体形态和化学组成成分的变化，结果表明，采后蓝光和白光维持了更高的葡萄表皮蜡质中齐墩果酸等萜类化合物的含量，保持更好的蜡质晶体形态，降低果实腐烂率和落粒率。

图1. 光照维持葡萄蜡质含量和果实外观

染色质开放区为转录因子的结合提供了空间可能性，是转录调控的先决条件。为了确定光调控蜡质合成的分子靶点，团队运用染色质可及性高通量测序（ATAC-seq）与转录组（RNA-seq）联合分析绘制了光照条件下葡萄果实的染色质开放图谱。结果表明随着染色质可及性的提高，基因表达水平逐渐升高。30%的染色质开放区位于转录起始位点附近1 kb范围内。

因为萜类物质是葡萄蜡质中含量最高的成分，所以围绕萜类生物合成途径筛选出光照处理下基因表达和染色质开放性均上调的基因，选择染色质开放性差异位点最多的VvTPS12和VvHMGR2作为葡萄表皮蜡质萜类化合物生物合成调控的候选靶基因。进一步地，筛选出1）位于染色质开放区；2）可能与靶基因启动子区结合；3）光照下表达量更高的转录因子VvHYH和VvGATA24进行后续验证。

在烟草叶片和葡萄果实中验证了光响应VvHYH转录因子作用于VvTPS12上游，VvGATA24转录因子作用于VvHMGR2上游，正调控葡萄蜡质萜类化合物的生物合成。并且VvTPS12和VvHMGR2的过表达导致蜡质萜类含量增加，扫描电镜在果实表面观察到更多的蜡质晶体，表明VvTPS12和VvHMGR2是蜡质萜类生物合成的关键靶标。 烟草双荧光素酶报告实验和体外表面等离子共振实验证实VvHYH能够与 VvTPS12 启动子区的G-box顺式作用元件结合并激活 VvTPS12 转录，同时研究定量测定两者平衡解离常数为2.81 nM。 VvGATA24能够与 VvHMGR2 启动子区的GATA-box顺式作用元件结合并激活 VvHMGR2 转录，两者的平衡解离常数为8.59 nM。 这些结果丰富了对葡萄蜡质生物合成调控网络的理解。

分子对接结果揭示了VvHYH与VvTPS12启动子G-box顺式作用元件相互作用的结构基础涉及Arg106A等24个互作界面的氨基酸残基，VvGATA24与GATA-box顺式作用元件相互作用的结构基础涉及Pro218B等12个互作界面的氨基酸残基。

综上所述，该研究阐明了光照能够提高VvTPS12和VvHMGR2的染色质可及性，分别结合光响应转录因子VvHYH和VvGATA24，进而促进下游基因表达，上调葡萄蜡质萜类物质生物合成，为葡萄表观品质和萜类代谢的精准调控提供科学基础和理论依据。

图2. 光照诱导葡萄蜡质萜类化合物生物合成的作用机制图

论文第一作者为浙江大学生物系统工程与食品科学学院博士杨明依（目前就职于浙江农林大学食品与健康学院），论文作者主要来自于浙江大学、浙江科技大学和Slovak University of Agriculture等单位师生，通讯作者为浙江大学李莉教授和浙江科技大学班兆军教授。浙江大学罗自生教授对本研究给予了大力指导，该研究获得国家自然科学基金和浙江省重点研发计划项目的资助。

参考文献：

Yang M, Luo Z, Gao S, Belwal T, Wang L, Qi M, Ban Z, Wu B, Wang F, Li L*. The chemical composition and potential role of epicuticular and intracuticular wax in four cultivars of table grapes. Postharvest Biology and Technology. 2021, 173: 111430.

Yang M, Luo Z, Li D, Ma C, Li L*. Role of epicuticular wax involved in quality maintenance of table grapes: Evidence from transcriptomic data. Postharvest Biology and Technology. 2023, 196: 112155.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae366