果实成熟衰老功能基因研究与调控

果实成熟衰老功能基因研究与调控’

陈昆松‘张上隆2

(。浙江大学生命科学学院:园艺系,杭州3100291

摘要本文论述了果实成熟衰老过程中乙烯生物合成、乙烯信号转导.细胞壁水

解.碳水化合物代谢.以及细胞膜降解等相关基因的功能与调控,讨论了它们对果

实成熟衰老的分子生理学机理。

关键词果实:成熟;衰老:功能基因;调控

果实的成熟衰老是一个有序而复杂的过程.包括色泽、质地、风味、香气、乙烯释放

和其他代谢的变化;同时,它也是’+个高度协调的遗传调控过程,组织外观性状与内在对应基冈的功能密切相关。随着植物功能堇冈纽学时代已经剑米(SomervilleandSomerville,1999),以及DNA芯片技术}llBioinformatics手段等普遍J}JT-功能基刚的研究(Gura,2000;Spengler,2000),果实成熟衰老功能基冈的研究与调控已成为植物生理学家关注的一个新的前沿学术领域。

1乙烯生物合成相关基因及其调控

乙烯是一种成熟衰老激素、它在果实、蔬菜、花卉采后成熟、衰老进程中起着重要调

控作用。自Huefin和Kennen(19591府刚气相色谱技术检测乙烯眇米的40年问,尤其是1979年YmagCycle(即蛋氮酸循环)的确-,'i(Adams¥li',’ang,1979)}[11990年Hamilton(1990)等获得的首例转反义ACC氧化酶基冈耐贮j:;耋需茄果实.使以乙烯为主导的粟厉研究一直处丁本学科领域的前沿。90年代以来,在祈茄I.,采j}j转曼冈技术已成功地控制了乙烯的生成(图1),有效地延K了果实的贮藏{{『j,为利Hj生物技术改善果晶贮运性开辟了~条崭新的途径。但尚未见到多年生果树这方面的成功报道。

乙烯对丁一些果实只是一个决定后熟软化速度的冈子。我qj(1999b)研究表明,猕猴桃

果实在20℃后熟过释的软化启动阶段(贮藏前6d).果实乙烯释放量很低.仪为0.05t071nl・g-1.h~,随着果实进入快速软化阶段,乙烯开始了自我催化人量合成乙烯,当果实完熟时,伴随出现乙烯跃变峰:外源乙烯处理加述了猕猴桃果实厉熟软化进程,但对处理初期乙烯生成无明显促进作剧,只在果实快速软化阶段促使乙烯跃变上升娥的到来,并增加乙烯生成;经乙烯处理后丁20℃下贮藏120h的果或中,仍有45.7%的果实单果乙烯释放量在检测限以+F。这些结果均表明,乙烯在果实成熟过程的作IL}j主要是加速了快速软化阶段的果实软化进程,而与软化启动阶段的果实软化启动无明显芙系。

乙烯等对果实后熟软化进程的调控是一个比较复杂的过程,该过程不仅仅取决于其绝

对浓度的变化.还与其他内源激素间的相马.平衡及拚同作用有关,同时还与果实组织对植物激素的敏感性有关。

+国家自然科学基金(G2000046806)和浙江错臼然科学筚金资助项目--■--r7k、

SAMsynthase

sAM麓图痧S-adenosine+homoserine妙SAMhydrolase

(Goodeta1.1994)

ACCsyntheeACCsynthasegene;VnC=]antisense

(Oellereta1.1991)

ACCdeaminase

ACo-ketobutyricacid+NH3

(Kleeeta1.199I)

Accoxidas。O臼a㈣ntis删ens咖eA帅CC。?鬻郫

C2H4

图I利用转基因技术抑制番茄果实的乙烯合成

FigIInhibitionofethylenesynthesisintransgenictomato

尽管对乙烯的研究进展很快,但有关跃变型果实中调控乙烯跃变的启动因子尚不很清

楚。随着研究的不断深入,人们开始关注对乙烯生物合成上游调控因子和乙烯信号转导,以及累实后熟软化其它相关因子的研究。

2乙烯受体蛋白与乙烯信号转导

2.1ETRI及其同源物

许多研究结果表明ETRl蛋白具有感受乙烯的功能,是乙烯的受体(Bleecker和Schaller,

1996:Ecker,1995)。遗传学分析提供的证据表明,ETRl是作用于影响乙烯信号转导其它基因座的上游序列,作为乙烯受体在乙烯信号转导途径的初期起作用。ETRl蛋白是由ETRl基囡所编码。拟南芥ETRl基因突变体植株对乙烯不敏感,表明该基因产物在乙烯信号转导中起作用。

ETRl为一跨膜蛋白,N.端侧卧在膜的细胞质外侧,C:.端结构域定位在膜的细胞质一侧

fBleecker和Schaller,1996:SchaIIer和BIeecker:1995)。ETRI蛋白N-端含有一个疏水结构域,有3个跨膜节段:C.端的序列与细菌般组分系统的组氨酸激酶及反应调节i'器(responseregulator)高度同源(Chang等,1993:Chang和lMeyerowitz,1995;Stock等,1990)。细菌双组分系统含有二个保守基元(motif),通常称为传感蛋白(sensor)和反应调节器(responseregulatoO,这两个组分配对起作用,控制细菌对专一信号反应。传感蛋白定位在细胞膜上。由一个细胞外输入端和一个细胞质组氨酸激酶结构域组成。反应调节器也有两个结构域:

一个接受器结构域(receiverdomain)¥ll一个输出结构域(outputdomain)。当传感蛋白的氮基末端输入域受剑环境刺激信号时,能使保守的组氨酸残基发生白身磷酸化作HJ,然后这个磷酸基团从组氨酸转移到反应调节器的接受器结构域上的天门冬氩酸残基.接受器的磷酸化状态控制输出结构域.后者义介导F游步骤。很多细菌的输出结构域都是转录调¨物。

Hua等(1995)在拟南芥中克隆到编码乙烯受体的另一基冈一£船基冈(ethyleneresponse

sensor.乙烯反应传感生白)。它是ETRl的同源物。ERS蛋白的C-端区域也含有一个推断的组氮酸蛋向激酶结构域,但它缺乏一个接受器结构域(Kende和zeevaan,1997)。在乙烯信号转导途径中ERS在CTRl的上游起作川。

乔茄m。洲ever-ripe)基因编码了一个与ETRl高度相似的蛋I气(Wilkinson,t995:Yen和

Lee,】995)。与ERS‘样.推断NR蛋白&C.端缺乏一个接受器结佝域。Ⅳr基冈在果实成熟阶段被大昔诱导,这说明该基冈可能调控果实成熟阶段对乙烯的敏感一|生(Wilkinson,1995)。最近在番茄中还发现了与ETRl臣源的另一基…一--eTAEI(Zhou等,1996)。

2.2乙烯信号转导

CTRI量白是乙烯信号转导逢径的中心鲁H分,它含有所有已知蛋白激酶所共有的1】个亚

域(subdomain).其N一端含有Raf崔白的jR守、{i胱氩酸基元}Il售禽丝氨酸/苏氨酸的序列。Raf蛋白通过把米fj细胞表面受体的信号转导剑转录冈子而影响细胞的生K和分化。在动物里.Raf蚩白是分裂原激活的量白激酶激酶激酶(mitogen-activatedproteinkinasekin如ekinase,MAPKKK),它通过使MAPKK塍酸化旧竹细胞的分化和生长.MAPKK义使MAPK磷酸化。在各种多细胞真核和酵母细胞里MAPKK激酶、MAPK激酶和MAP激酶参与各种发育或胁迫信号转导的磷酸化级联反应(phosphoryla“oncascade)(Force等,1994;Jonak等.1994)。不同的Ra鼬÷白均含有二个高度保守的区域——cRl_3。CRl由Ras蛋白结台位点丰【1富含Cysflf】锌指结构2R成(Ghosh,1994):CR2包含的氨基酸残基中,丝氮酸和苏氮酸占r极大比例(Kolch等,1993:Morrison等,1903);位于Raf鸯白C.端的cR3是激酶的催化区域。CTRj的c.端与CR3区域高度同源。但CTRI缺乏CR2区域中的锌指结构和结合何点。CTRl的氨基酸宁列表明,其结构类似rMAPKKK。闪此推洲植物体内的乙烯信号转导可能涉及类似的磷酸化级联反麻。

由丁CTRI功能的丧火导致组成型乙烯反麻.呵推断CTR]激酶住乙烯信号转导途径上

充当一个负调1y物(Bleecker和Schaller,1996)。CTRI作用丁ETRI、ERS、ETR2*IIEIN4的下游。

2.3乙烯信号转导途径

从拟南芥中分离到一系列对乙烯显示不同反应的突变体,表明存在着一条与这些反应

相联系的乙烯信号转导选径.通过舣实变体分析确定了乙烯信号转导的基田作用顺序如F(Bleecker和Schaller.1996:Ecker,1995:Kieber,1997)。

图2显示,ETRl基闲产物是在乙烯信号转导途径中最早起作用。CTRl基因产物是信号

途径上的中心组分。ERS、ETR2和IEIN4是ETRl的同系物,可能编码乙烯受体的同_T型。

迄今尚不完全清楚乙烯受体是如何把信息传递给F游组分的。但通过这儿年的大量研

究可班设想,在植物的乙烯反应途径中,乙烯感受的第一步是在质膜中乙烯与受体分子相结台,改变了受体舣组分调宵系统中的绢氨酸激酶结构域活性,后者义影响下游组分CTRl、

乙烯初始反应乙烯生理效应

圉一……圈

圈2

Fig2乙爝信号转导相关基因的可能顾序Proposedorderofgenesinvolvedinethylen:signaltransduction

和EIN2。新近发现,植物体中乙烯信号转导途径与酵母中渗透感受信号转导途径颇为相似(Brewster}lldeValoir,1993)。酵母渗透感受途径也含有相当于细菌双组分信号转导系统的元件以及类似于激酶级联反应的元t"t:(Maeda,1994;19951)。ETRl蛋白和sLNl蛋白分别在乙烯反应和渗透胁迫反应的早期起作用。SLNl蛋白也类似丁I细菌双组分系统中的第一个组分,是推断的组氨酸激酶,这一点与拟南芥ETRl报相似。反应调宵器SSKl相当于双组分中豹第二个组分,它的磷酸化状态为SLNl蛋白的活性人小所调节。SSKI随后调节SSK2和SSK22,后两苦都是蛋白激酶,它们的氨基酸序3/lP4MAPKI<KIB常相近(Maeda,1995)。SSK2雨1SSK22磷酸化PBS2f类似丁MAPKK),后者又磷酸化HOGI(类似于MAPK)。

CTRI蛋白的氮基酸序列与MAPKKK相似,它相当f酵母渗透胁迫反应选径中的

SsK刀SsK22。在植物中己观察到乙烯能诱导蛋白质磷酸化作用发生改变,可推测植物体|』j乙烯信号转导可能涉及磷酸化级联反应,磷睃化作用在乙烯信号转导中起丁关键作用(Bleecker和Schaller,1996:Raz硐IFIuhr,1993)。

3.1细胞壁降解相关基因多聚半乳糖醛酸酶(PG)基因

果胶类物质是存在于高等植物初生细胞壁和细胞间隙的一组多糖类化合物,在细胞与

细胞间起着一‘种粘合联结作用,其土耍成份是多聚、},乳糖醛酸,其中有些半乳糖醛酸羧基发生了甲基酯化,并在这种半乳糖醛酸聚糖主链上插入一些鼠李糖和阿拉伯糖单仲。

有研究发现PG的适宜底物是多聚半乳糖醛酸(张永庆等,1996)。对番茄(Brady等,1985;

Grierson}llTucker,1983)、芒果(Mitcham等,1992)、梨(Yoshioka等,1992)、香蕉(Agravante等,1991)、桃(Pressey等,1978)等果实PG活性变化与果实软化关系的研究表明.PG与果实成熟软化密切相关。

随着PG编码基因及其反义RNA转基因番茄植株的获得.使人们对PG在果实软化中的作

用有了更深入的了解。PG基因的表达受转录水平调控,在突变型’r/n’番茄果实中,自身其有PG基因,但PG基因的转录受到了严重抑制,与正常碰果实相比.其成熟过程的mRNA水平仅为正常型果实的约1/100(DellaPenna等,1989);不溶质桃果实中的PGmRNA水平也明显低丁I溶质桃的(Lester等,1994):采Ⅲ反义RNA技术获得的PG反义RNA转基冈乔茄,证实了PG反义RNA抑制了PG基冈的表达(Smith等.1988),是通过干扰mRNA的积累过程来抑制靶基因的表达的(罗云波,1995)。Smith(1988)的I’作还发现正义的PG基因同样能抑¥1]PG基

冈表达,认为这是一种协同抑制效应.正义转基冈引发了反义RNA的产生(Grierson等,1991),得到了正义和反义两种基因的相似结策(Grierson等,1992)。

PG反义RNA转基冈舔茄果实成熟jⅢ哪的PG活性被抑制了90%.但果实软化进程与对照

无差异(Smith等,1988),Giovannoni博(1989)认为PG引起的多聚半乳精醛酸水解不足以诱发果实的软化,它至少不是番茄果实成熟软化的戈键酶。

3.2木葡聚糖内糖基转移酶(XET)基因

许多果实斤熟、贮藏期间的硬度F降1J细胞壁相关酶的修饰有天,过去人们认为PG是

_娶实成熟软化的一个天键酶(McGlasson.1985),伊随着采后分子生物学的深入研究,PG在果实成熟软化中的作Ⅲ出现了不同的结果。近年来人们把注意力集中到了一些细胞壁的{r果胶纽分、纤维素、、f|纤维素以及竹埘厂它们的酶。XE]、鹾是最近发现的一种能引起细胞壁嘭胀松软(Fry.等,1992),并与粜实软化相芙的酶(Redgwell}IlFu,1993)。

Redgwell¥11Fry(1993)研究猕猴桃后熟软化进程的XEq’活性变化及其与细胞壁膨胀松软

的关系发现.外源乙烯处理诱导的果实软化过稃,XET活性怏速增加,促进了细胞壁的膨胀松软.该过稚累胶物质的溶解与细胞罐的膨胀,节平j,交化,认为细胞肇的松动是其他与成熟有关的细胞壁水解活动的必需条什.XETi舌陛变化与果实软化密切相关,冈为乙烯处理后出现伴随果实软化的细胞啦变化,多聚糟}Il低聚话i司内糖基转移作IH.可使细胞壁的l司定结构丧火。最近Schroder等11998)认山XEql:仅具有小葡聚锖内糖蜃转侈作Hj,而且还有解聚和水解的功能,XET庄果实成熟衰也:三桦的作刖首先是‘吏连接纤维素微纤丝问的水葡聚糖链解聚.进而使水筒梨糖链发生不s,j逆的破裂:XET艟化舟勺解聚作用有两种机制,即:作为水解酶解聚水葡聚糖和皑化多聚精车¨低聚糖间的木葡聚糖内糖基转移作j}j和术葡…’、聚糖的水解作Hj促使木葡聚糖的解聚,我们(199%)的最近研究认为,XET并jF果实软化的

戈键丽子,可能只是一种诱导酶.但XETfl为最新发现的一种细胞壁松软酶,其对果实后熟衰老过程的作用尚不清楚。

3.3B.半乳糖苷酶基因

B.、},乳糖营酶在某监果实,如苹宋(S]ddigui_|:lrBangerth,1995)、芒果(All等t1995)、

木KI(Lazan等.1995)、甜馔桃(Andre、vs和Li,l994)、鳄梨(Veau曹,1993)等的粟实成熟软化过程中起着重要的作Ⅲ,该酶町以使细咆荤的一些组分变得不稳定,促使细胞氅膨胀松软(Ross等,l993)。

目前已从苹果(Ross等1994)、芦笋(King}llDavies1995)、青花莱(Downs;alAimira1995)、

番茄(Camy等1995){11康乃馨(Raghothama':9.1991)葛植物组织中克隆到了13-、F乳糖营酶基网。在苹果粜实成熟过秤.8.、F乳糖苗酶mRNA的积累与乙烯的白我催化相一致(Ross等/994),在芦笋(King{//Davies1995)}11康乃馨(Raghothama等,199i)上也得到相似的结果。

我ff](2000)从成熟猕猴桃果实中兜隆到了一个13.、|,乳精茁酶基闻片段,用该片段为探

针进行Northern分析表明,在果实采收时.纷织中的13.、r乳糖苻酶mRNA虽为丰富.随后下降.同时B.、}乳糖苷酶mRNA订]为外源乙烯诱导衫j累,但矗:果实乙烯跃变期间B-、}乳糖菅酶基闻的表达信号无丑并变化.这不同1。苹果果实成熟过;陧(Ross等.1994)的表达模式。P.j{,乳糖营酶可能往猕骐桃果实软化启动阶段起作州.

3.4纤维素酶基因

纤维素是细胞墅的骨架物质,它的降解意味着细胞壁解体和果实软化。在鳄梨和草莓

果实软化进程中,纤维素酶活性增加,并导致细胞肇的膨胀松软(Abeles和Takda,1990;Chdsloffersen镎,1989)。

在草莓果实成熟过程中,纤维素酶基冈Cell}NCe]2有着不同的表达模式,Cel2在绿熟果

实中即有表达,从绿熟到果实转向过程中,其mRNA不断积累,并在果实后熟过程维持稳定增加;相反,在绿熟果实中,检测不.igCell转录本,即使在转白果实中,其表达水平也很低,进入聚实后熟期间,CellmRNA逐潮增加,井在果实完全成熟时达到最高。认为cell和Cel2的这种表达模式在果实厉熟软化过程起着重要作州(Llop—Tous等。19991。对鳄梨果实纤维素酶基因(Cell)的研究也表明,在朱成熟果实中CellmRNA很低,到果实成熟期间,增加了37倍(Cass等,1990):乙烯处理可以促使桃果实中pCel10mRNA的积累(Trainoni等,1997)。但Brummell等(19991报道,将纤维素酶基因(Cel2)反义导八语茄植株,在成熟转基因果实中,Cel2mRNA水平被减少T95%以上,但其乙烯生成与对照相比无差异,通过抑制纤维素酶基因表达,也没有表现出对后熟过程果实软化和质地变化的影响。

4碳水化合物代谢相关酶

对丁-一些富含淀粉的果实而言,淀粉的积累与水解与果实后熟软化有着相关性。如猕

猴桃果实发育后{{|j,淀粉的积累可达果实总于重的50%左台(Beever和Hopkirk.】990)。淀粉作为细胞内食物对细胞起着支撑作_【}』,并维持着细胞膨乐。果实采后后熟种贮藏过程,淀粉被水解井转化为可溶性栝,从而引起细胞膨胀力的F降.导致了果实的软化(Mpaia等,

1987)a羹,

猕猴桃等果实成熟过裂淀粉水解生成蔗糖和己糖,伴随有蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性增

加,这种淀粉降解和耱含量的增加与SPS最大活性值有关(MacRae等,19921.认为SPS是上述过程蔗糖合成所需要的(Langenkamper等,1998)。晟近已从成熟猕猴桃果实中克陛到了SPS基因全K序,U(Langenkamper等.1998:Raymond等,私人通讯),Northern分析表明,当果实在树成熟时.随着淀粉开始降解,SPSmRNA水平节持续增加,并可被采后乙烯处理所加强,当脱离乙烯处理后,SPS转录本F降:乙烯跃变期间,SPSmRNA再度增加,同时淀粉水解完全;低温处理也可使果实中SPS转录本积累(Langenkamper等,1998)。但SPS在猕猴桃果实成熟过程的作用还不清楚。由T-sps在碳水化合物代谢的中间环i符,尤其在淀粉降解和蔗糖合成过程起作用.故它在一些富含淀粉果实如猕猴桃(Langenkamper等,1998)和香蕉(doNascimento等,19971等果实成熟软化过萃『l!的作心也正引起人们注意。

细胞膜降解相关基因

脂氧合酶(LOX)专~催化含有顺,顺.I,4一戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸加氧反应,生5

成具有共轭双键的氢过氧化物,是一个催化细胞膜脂脂肪酸发生氧化反应的主要酶,也是启动细胞膜脂过氧化作用的主要冈子。

LOX活性变化与果实成熟衰老密切相关(陈昆松等,】999)。番茄果实从绿熟期到转红

期的进程.伴随有LOX活性增加,外源LOX处理可增加果实组织的电导率,加造成熟衰老(罗38

云波.1994),番茄果实微粒体LOX活性从绿熟期到转红期增加了48%,剖红熟期其活性又降至绿熟期水平(Riley筲,1996)。西茄朵实采后初期LOX活性的增加与果实成熟的启动(Droillard等,1993)}tI成熟衰老伴随的膜功能丧火(Todd等,1990)有犬。

LOX调节绲织衰老的主要机理有:K参与了膜脂过氧化作用,导致细咆膜透性增加,促进胞内钙的积累,激活了磷酸脂酶活性,加速了游离脂肪酸进一步从膜脂释放,加剧了细胞膜的降解;3膜脂过氧化产物和蟆错过氧化过撑产生的自由羹进而毒害细胞膜系统、蛋白质和DNA.导致了细胞膜的降解手¨细胞功能的艇火:贸L0x还可能在果实成熟过程的内源激素间的平衡中起作川。LOX参与的膜脂过氧化作』H产物可进一步促{吏JAflIABA等衰老调铃冈子的生成,并参与了乙烯的生物合成,促进组织衰老。

从番茄中克隆到的4种不同LOX基冈,即从果实中得剑的tomloxA}lltomloxB(Ferrie等,1994),和从叶片中得到的tomjoxc和tomloxD(Heitz等,1997),住不同的组织或同一组织的不同芨育阶段,有不同的表达类型。研究发现tomloxA在种子和成熟果实中表达,而tomloxB只在果实中表达(Ferrie等.1994):tomloxC庄成熟果实的转色鼽{f隍[熟贿有表达信号,而在绿熟果中无表达信号,该基闭不在叶片}}】花器中表达,且不破伤害卢斤诱导:与tomloxC相反,tomloxD主要住叶片、萼片、花瓣和花的雌性器官中表逃,同时其表达可破伤害所诱导.在绿熟聚车¨转色果中也有微弱的信号(Heitz等,1997)。认为tomloxB(Ferrie等,1994)雨ltomloxC(Heitz等,1997)为两种不同的礴茄累实成熟专一基冈。

反义LOX基因在兵豆原,上质体中的表达,抑制了70%LOX活性.而摹冈的正义表达|l!J|增加了20%LOX活性(Maccarron苫.1995):住拟南芥菜中,转反义LOX一2基冈植株的LOX基冈表达受剑抑制.但一部分表边止义基冈植椿的LOX基田表达信_;}褥到加疆,而另一部分转正义基冈植株的LOX基冈表达被抑制:碍其中=珂咧转Ⅱ!义摹冈植株的mRNA平【I蛋白质水平进行分析,NorthernJ舟交表明,与对照相比,LOX基闪住叶片#I花序中表达被强烈抑制,Western杂交显示原生质体甲!I≈LOX.2兰Fj硬币疋对照的】j15,虽然在转基冈植株的叶片和花序中LOX表达受到严重抑制,JAfl々积累也受阻.但植株生长发育与对照无筹异(Bell等.1995、。

迄今有天LOX基因在泉实成熟衰老过侔的涌控岍究共少.仪周限△.一年生作物番茄果实上。我仃j(1998)首次从多年生作物猕猴挑果实r|J符剑_J,一个824bp的LOX基冈片段(pKLCl),它与拟南芥(Melan等,1993)、黄瓜(Mmsui筲.1995)、豌豆(Rodriguez.Concepcion;}llBeltran,1995)、十旦(Kolomiets等,1996)、水稻(Ohta等.1992)、人豆(Bunker等,1995)、烟草(Veronesi等,1995)¥11爵茄(KauschglHanda.1995)的授营酸同源睦为59.0%~74.6%,氮基酸同源性为63.1%~76.3%。southem杂交显示,住中华猕猴桃基冈组中.pKLCl片段为一低拷贝数基内家族所编码。pKLCl是从多年生作物中克隆剑的第一个LOX基闪片段.为研究果实成熟衰老机理提供新的途行。

州克隆剑的pKLCl¨‘探针,研究猕猴姚果实成熟软化垃HLOx基冈的_挺达类掣.结果表明,LOxmRNA在耐上印已宵时积累,砸着果实采收和f果实后熟进群早r降变化,外源乙烯处理可诱导mRNA的积豢,果实乙烯双业过样.LOXmRNA早运渐积累.1}f_乙烯跃变峰出现前达剑晟人,之后F蹄。低混(O℃)处删可诱导LOXmRNA的瞬问急述积累.这种诱导效应可破持续的低温口、:域所减弱(陈娃除苫,木发表资料)

6其他基因

其他果实成熟相关基因还有红树莓的PG抑制蛋I勺(PGIP}基因(Ramanathan等,1997)、苹果的口AP4(Ross等.1992)、pAPl5(Atkinson等,1996)¥rlETR(Song缚,1998)、香蕉的pBAN系列基因(Clendennen和May,1997)}IlpBANUU系列基因(Medina-Suarez等.1997)、猕猴桃的pKIWl503(Ledger}.1lGardner.1994)以及ERl、LDH、HDC、Exp、ADH、pRIBs、ERTs、ASR、MPGs、FANRs(冈特网资料)等。

7结语

综上所述,果实成熟衰老的影响因子是综合的,不同的成熟衰老相关基冈,网一种基冈在不同种类果实中的作用方式有所不同,而且同一基冈的不同同_[型(不同序列)有着不同的生理功能。对众多成熟衰老相关网子的比较,探讨其相互关系平lf时空表_i占顺序,评价相关基因的功能,更有目的地加以利用,是进一步改善采后果实贮运性的基础,也是果实成熟衰老研究及其调控的新内容。

参考文献

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ofapplefrulBBangenhFChangesintheratioofcis一[i'anstoIr;∞rls・transabscislcacidduringripening

IPlantal982}"199-203Cfeds),Ki邮frultⅥ”协BeeverDJandHopkirkGFruitdevelopmentandfruJlphysiol093,In

andManagementRayRichardsPubhsherAuckland199097—126WarringtonJ曲dWestonGScience

"BellECreelmanRAandMulletJEAchloroplasthpexj.genasebrequiredforwound—mducedjasmonieacid~ceumulationin

Arabzdopsls

BleeckerABProcNailAcadSelUSA1995,928675-9679SchallerGThemechanism

JA,PearsonofethyleneperceptionPlantPhyslol】99氐l】I:6534,0Internctio咕betweenthe

1985aloounlandmolecularthcmsof埔坶Brady'CJMcGlassonJA.MeldrumSKandKopehoxitchEpolygalacturonase.calclurrt,firmnessIntomatofnait_JAmerSocHonSci

BrewsterJLdeValoirTDwyerNDnal110(2)2540-258259:1760-63

accumulationAnosmosensingstgnaltmnsductionpathwa)inyeastSciencel993Antisensesuppressionof

z01)eg∞MBrummeflDA,HallBD,BennettA13tomatoende-]、4-beta.glucanaseCel2mRNAincreasesthefo作ereqmredIobreakfruitabsczssmnbutdoesitolaffectfruitsofteningplantMolBiol1996141X4):615-22

22BunkerTWKoeueDS,StepherbonLCCreelmanRAMulletJEandGrimesHDSlagLmitationmducestheexpressionof

multiples03beanvegelam'elipo\}genasemRNAsuhlietheendogenousJasmonlcacidlevelremainslowPlantCell1995,7(8】l319-l33l

23Care)。ATHoltKP、cardSWildeRTuckerGWSe)Tnour0BTomaloexo■l_4卜B-D—galactar-ase

Isolatmnchangeduringripeningmn㈣lA.BirdCRSchuchandmtltanltomalofruitandcharactenzmlonofarelatedeDNAclonePlantPhysioll神5I嘴1099-『J07

24CassLGKirvenKAChn‘toflersenREI、olattonandcharaclenzat.10nofacellulasegonehmnmemberexpresseddunng

avocadof兀lnnpemngMoIGenGenetl990.223(1J76—8。

25ChangCKwokSF.BleeckerABetalAmb]dops,setll、leneresponsegone12I'R1slmdarit?,ofproducttoIV,O-component

regulatorsScmnce1993262539-44

26ChugC、MeyeroⅥitzEMTheelhlonehormoneresponseinAraNdopslsaeukawouct*c-componentslgnalmgsystemProcNail

AcadgcIUSA1995924129.33

27ChdstoffersenRECassLGMcGan“DJPerclxa{Fuand№埘kKRCharactertzattonandexpressiollofaripening-reduced

cellulasegenefromavocadoInOsborneDjandJacksonM13(eds)CellSeparation1nPlantPh3slolog、BIoehemstr3andMolecularBiolog)Sprmger・VeragReran198q21加

28DellaPennaDDLmcolnJEFlschclRLandBennenAB7ranscnptmnalanal3sisofpoiygalacturonaseandothernpenthg

assocmtedgenesonRatzarstinnorandNrtomaloIrultPhantP抓¥1011989901372-1377

29Na¥cinlelltoJRCordenunslBRLajoloFMandAIcocerMJBananasucrose・phosphatesynthasegoneexpressmndunng衲1t

ripemngPlantaj99720313)283-288

30DownsCGAlmlraECAbeta.galactosIdaseeDNAhomolngfrombroccollPlantPhvsm】1995l㈣1342-1343

31DroillardMJRouet-Ma、cr、IABureauJMandLaunereCMembrane・assoctatedandsolublehpoxjgenaseimfbrmsintomato

pencarpPlantPh、siol1093m3l二11一l二1-

32EckerJRIhedhlenesignaltransductlonDd巾n扑…piantsScience1995268667—75

33FerricBJBeaudomNBurkhanBB㈣}lfCGandRmhsIemSJFheclonmgofmolomato1Ipox3’genasegenesandtheir

differentialexpressiondunngt?ultripeningPlantPhi.”ol1。)q4l【m10q-1l8

34ForceT.Bon、entieJVHmdeckerGetaIEnzymaticcharacteristwsoftheRatLlprotemkmaseProcNatlAcadSclUSA1994

9l1270—74

、5FⅣSCSmahRC.RennlckKPManm【)J}lodgeSKandManhewsKJmitlgiucanendotransglycosylaseaneⅥ

v,all—thosenmgenz3n19acfixibfromplantsBlochemJ19q2282821828

36ahoshSJ,XlewOQueslAFGdalTh州m’讹-richTeglonofR“lkmasecontamsmnclranslocatelothehposomes、andl5

adlacentIoasegmenthatbmas(FP-RasJD10|Chem199426910000—7

37GmvannomjjDcllaPennaDBennenABandFlschelRLExpressmnofach]mencPOl3。gaiacturonasegoneinnnfripening

mhtbltorltomatofrmtresullsinpoiyuromdedeemdanonbutnotflintsofienmgPlantColl}989j3-63

AdvancesinFruitRipeningandSenescence—relatedFunctionalGenesandtheirRegulationChenKunsong1,ZhangShanglong!

(7College《l啦mPncPs?:Departmentqflhorncultt』7eZhengttan91117lvFrsll],,,Ilanff=hou310029

AbstractFunctionandregulationofgene-relatedlOethylenebiosynthesis.eth)lenesignaltransduction.

cellwallhydrolysis,carbohydratemetabolismandceilmembranedegmdationduringfruitripeningandselle=scencewerereviewedThemolecularph)siologicalmechanismofthegenesinfruitsenescencewasdiscussedaswell

KeywordsFmjt:Ripening;SeBesccnce:Functionalgene:Regulation4

果实成熟衰老功能基因研究与调控

作者:

作者单位:陈昆松, 张上隆浙江大学生命科学学院园艺系(杭州)

1. 王永章. 蒋家慧. 李培环. 徐茂龙 肉质果实碳水化合物代谢及调控研究进展

[期刊论文]-莱阳农学院学报2001,18(4)

2. 庞金安. 马德华. 霍振荣. 李淑菊 成熟度和后熟对黄瓜种子发育及果实内发芽的影响[会议论文]-2000

3. 王耀南. 刘治 一种高阶模糊CMAC自适应控制及其应用[会议论文]-2000

4. 解永辉. 黄葵 缓冲式软开关直流变换器的谐波分析[会议论文]-2000

5. 陈雅君. 车代弟. 龚束芳. 冯淑华 黑龙江省野生动物药用花草资源[会议论文]-2000

6. 段泽敏. 杨晓华. 王永康. 孙俊杰. 王贤萍 核桃化学去雄的数学模型分析[会议论文]-2000

7. 张胜. 吴显礼 汉字识别语言模型的一种新探索[会议论文]-2000

8. 郑利红. 史贵柱. 李元宗. 武利生 管内步伐式行走机器人运动模型的研究[会议论文]-2000

9. 王顺玉. 戴鸿鸣. 王海清. 黄清德 大巴山、米仓山南缘海相烃源岩的生物标志化合物特征[会议论文]-2000

10. 刘化朝. 张美勇. 徐颖 施肥对香玲桃生长结果的影响[会议论文]-2000

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_123883.aspx

果实成熟衰老功能基因研究与调控’

陈昆松‘张上隆2

(。浙江大学生命科学学院:园艺系,杭州3100291

摘要本文论述了果实成熟衰老过程中乙烯生物合成、乙烯信号转导.细胞壁水

解.碳水化合物代谢.以及细胞膜降解等相关基因的功能与调控,讨论了它们对果

实成熟衰老的分子生理学机理。

关键词果实:成熟;衰老:功能基因;调控

果实的成熟衰老是一个有序而复杂的过程.包括色泽、质地、风味、香气、乙烯释放

和其他代谢的变化;同时,它也是’+个高度协调的遗传调控过程,组织外观性状与内在对应基冈的功能密切相关。随着植物功能堇冈纽学时代已经剑米(SomervilleandSomerville,1999),以及DNA芯片技术}llBioinformatics手段等普遍J}JT-功能基刚的研究(Gura,2000;Spengler,2000),果实成熟衰老功能基冈的研究与调控已成为植物生理学家关注的一个新的前沿学术领域。

1乙烯生物合成相关基因及其调控

乙烯是一种成熟衰老激素、它在果实、蔬菜、花卉采后成熟、衰老进程中起着重要调

控作用。自Huefin和Kennen(19591府刚气相色谱技术检测乙烯眇米的40年问,尤其是1979年YmagCycle(即蛋氮酸循环)的确-,'i(Adams¥li',’ang,1979)}[11990年Hamilton(1990)等获得的首例转反义ACC氧化酶基冈耐贮j:;耋需茄果实.使以乙烯为主导的粟厉研究一直处丁本学科领域的前沿。90年代以来,在祈茄I.,采j}j转曼冈技术已成功地控制了乙烯的生成(图1),有效地延K了果实的贮藏{{『j,为利Hj生物技术改善果晶贮运性开辟了~条崭新的途径。但尚未见到多年生果树这方面的成功报道。

乙烯对丁一些果实只是一个决定后熟软化速度的冈子。我qj(1999b)研究表明,猕猴桃

果实在20℃后熟过释的软化启动阶段(贮藏前6d).果实乙烯释放量很低.仪为0.05t071nl・g-1.h~,随着果实进入快速软化阶段,乙烯开始了自我催化人量合成乙烯,当果实完熟时,伴随出现乙烯跃变峰:外源乙烯处理加述了猕猴桃果实厉熟软化进程,但对处理初期乙烯生成无明显促进作剧,只在果实快速软化阶段促使乙烯跃变上升娥的到来,并增加乙烯生成;经乙烯处理后丁20℃下贮藏120h的果或中,仍有45.7%的果实单果乙烯释放量在检测限以+F。这些结果均表明,乙烯在果实成熟过程的作IL}j主要是加速了快速软化阶段的果实软化进程,而与软化启动阶段的果实软化启动无明显芙系。

乙烯等对果实后熟软化进程的调控是一个比较复杂的过程,该过程不仅仅取决于其绝

对浓度的变化.还与其他内源激素间的相马.平衡及拚同作用有关,同时还与果实组织对植物激素的敏感性有关。

+国家自然科学基金(G2000046806)和浙江错臼然科学筚金资助项目--■--r7k、

SAMsynthase

sAM麓图痧S-adenosine+homoserine妙SAMhydrolase

(Goodeta1.1994)

ACCsyntheeACCsynthasegene;VnC=]antisense

(Oellereta1.1991)

ACCdeaminase

ACo-ketobutyricacid+NH3

(Kleeeta1.199I)

Accoxidas。O臼a㈣ntis删ens咖eA帅CC。?鬻郫

C2H4

图I利用转基因技术抑制番茄果实的乙烯合成

FigIInhibitionofethylenesynthesisintransgenictomato

尽管对乙烯的研究进展很快,但有关跃变型果实中调控乙烯跃变的启动因子尚不很清

楚。随着研究的不断深入,人们开始关注对乙烯生物合成上游调控因子和乙烯信号转导,以及累实后熟软化其它相关因子的研究。

2乙烯受体蛋白与乙烯信号转导

2.1ETRI及其同源物

许多研究结果表明ETRl蛋白具有感受乙烯的功能,是乙烯的受体(Bleecker和Schaller,

1996:Ecker,1995)。遗传学分析提供的证据表明,ETRl是作用于影响乙烯信号转导其它基因座的上游序列,作为乙烯受体在乙烯信号转导途径的初期起作用。ETRl蛋白是由ETRl基囡所编码。拟南芥ETRl基因突变体植株对乙烯不敏感,表明该基因产物在乙烯信号转导中起作用。

ETRl为一跨膜蛋白,N.端侧卧在膜的细胞质外侧,C:.端结构域定位在膜的细胞质一侧

fBleecker和Schaller,1996:SchaIIer和BIeecker:1995)。ETRI蛋白N-端含有一个疏水结构域,有3个跨膜节段:C.端的序列与细菌般组分系统的组氨酸激酶及反应调节i'器(responseregulator)高度同源(Chang等,1993:Chang和lMeyerowitz,1995;Stock等,1990)。细菌双组分系统含有二个保守基元(motif),通常称为传感蛋白(sensor)和反应调节器(responseregulatoO,这两个组分配对起作用,控制细菌对专一信号反应。传感蛋白定位在细胞膜上。由一个细胞外输入端和一个细胞质组氨酸激酶结构域组成。反应调节器也有两个结构域:

一个接受器结构域(receiverdomain)¥ll一个输出结构域(outputdomain)。当传感蛋白的氮基末端输入域受剑环境刺激信号时,能使保守的组氨酸残基发生白身磷酸化作HJ,然后这个磷酸基团从组氨酸转移到反应调节器的接受器结构域上的天门冬氩酸残基.接受器的磷酸化状态控制输出结构域.后者义介导F游步骤。很多细菌的输出结构域都是转录调¨物。

Hua等(1995)在拟南芥中克隆到编码乙烯受体的另一基冈一£船基冈(ethyleneresponse

sensor.乙烯反应传感生白)。它是ETRl的同源物。ERS蛋白的C-端区域也含有一个推断的组氮酸蛋向激酶结构域,但它缺乏一个接受器结构域(Kende和zeevaan,1997)。在乙烯信号转导途径中ERS在CTRl的上游起作川。

乔茄m。洲ever-ripe)基因编码了一个与ETRl高度相似的蛋I气(Wilkinson,t995:Yen和

Lee,】995)。与ERS‘样.推断NR蛋白&C.端缺乏一个接受器结佝域。Ⅳr基冈在果实成熟阶段被大昔诱导,这说明该基冈可能调控果实成熟阶段对乙烯的敏感一|生(Wilkinson,1995)。最近在番茄中还发现了与ETRl臣源的另一基…一--eTAEI(Zhou等,1996)。

2.2乙烯信号转导

CTRI量白是乙烯信号转导逢径的中心鲁H分,它含有所有已知蛋白激酶所共有的1】个亚

域(subdomain).其N一端含有Raf崔白的jR守、{i胱氩酸基元}Il售禽丝氨酸/苏氨酸的序列。Raf蛋白通过把米fj细胞表面受体的信号转导剑转录冈子而影响细胞的生K和分化。在动物里.Raf蚩白是分裂原激活的量白激酶激酶激酶(mitogen-activatedproteinkinasekin如ekinase,MAPKKK),它通过使MAPKK塍酸化旧竹细胞的分化和生长.MAPKK义使MAPK磷酸化。在各种多细胞真核和酵母细胞里MAPKK激酶、MAPK激酶和MAP激酶参与各种发育或胁迫信号转导的磷酸化级联反应(phosphoryla“oncascade)(Force等,1994;Jonak等.1994)。不同的Ra鼬÷白均含有二个高度保守的区域——cRl_3。CRl由Ras蛋白结台位点丰【1富含Cysflf】锌指结构2R成(Ghosh,1994):CR2包含的氨基酸残基中,丝氮酸和苏氮酸占r极大比例(Kolch等,1993:Morrison等,1903);位于Raf鸯白C.端的cR3是激酶的催化区域。CTRj的c.端与CR3区域高度同源。但CTRI缺乏CR2区域中的锌指结构和结合何点。CTRl的氨基酸宁列表明,其结构类似rMAPKKK。闪此推洲植物体内的乙烯信号转导可能涉及类似的磷酸化级联反麻。

由丁CTRI功能的丧火导致组成型乙烯反麻.呵推断CTR]激酶住乙烯信号转导途径上

充当一个负调1y物(Bleecker和Schaller,1996)。CTRI作用丁ETRI、ERS、ETR2*IIEIN4的下游。

2.3乙烯信号转导途径

从拟南芥中分离到一系列对乙烯显示不同反应的突变体,表明存在着一条与这些反应

相联系的乙烯信号转导选径.通过舣实变体分析确定了乙烯信号转导的基田作用顺序如F(Bleecker和Schaller.1996:Ecker,1995:Kieber,1997)。

图2显示,ETRl基闲产物是在乙烯信号转导途径中最早起作用。CTRl基因产物是信号

途径上的中心组分。ERS、ETR2和IEIN4是ETRl的同系物,可能编码乙烯受体的同_T型。

迄今尚不完全清楚乙烯受体是如何把信息传递给F游组分的。但通过这儿年的大量研

究可班设想,在植物的乙烯反应途径中,乙烯感受的第一步是在质膜中乙烯与受体分子相结台,改变了受体舣组分调宵系统中的绢氨酸激酶结构域活性,后者义影响下游组分CTRl、

乙烯初始反应乙烯生理效应

圉一……圈

圈2

Fig2乙爝信号转导相关基因的可能顾序Proposedorderofgenesinvolvedinethylen:signaltransduction

和EIN2。新近发现,植物体中乙烯信号转导途径与酵母中渗透感受信号转导途径颇为相似(Brewster}lldeValoir,1993)。酵母渗透感受途径也含有相当于细菌双组分信号转导系统的元件以及类似于激酶级联反应的元t"t:(Maeda,1994;19951)。ETRl蛋白和sLNl蛋白分别在乙烯反应和渗透胁迫反应的早期起作用。SLNl蛋白也类似丁I细菌双组分系统中的第一个组分,是推断的组氨酸激酶,这一点与拟南芥ETRl报相似。反应调宵器SSKl相当于双组分中豹第二个组分,它的磷酸化状态为SLNl蛋白的活性人小所调节。SSKI随后调节SSK2和SSK22,后两苦都是蛋白激酶,它们的氨基酸序3/lP4MAPKI<KIB常相近(Maeda,1995)。SSK2雨1SSK22磷酸化PBS2f类似丁MAPKK),后者又磷酸化HOGI(类似于MAPK)。

CTRI蛋白的氮基酸序列与MAPKKK相似,它相当f酵母渗透胁迫反应选径中的

SsK刀SsK22。在植物中己观察到乙烯能诱导蛋白质磷酸化作用发生改变,可推测植物体|』j乙烯信号转导可能涉及磷酸化级联反应,磷睃化作用在乙烯信号转导中起丁关键作用(Bleecker和Schaller,1996:Raz硐IFIuhr,1993)。

3.1细胞壁降解相关基因多聚半乳糖醛酸酶(PG)基因

果胶类物质是存在于高等植物初生细胞壁和细胞间隙的一组多糖类化合物,在细胞与

细胞间起着一‘种粘合联结作用,其土耍成份是多聚、},乳糖醛酸,其中有些半乳糖醛酸羧基发生了甲基酯化,并在这种半乳糖醛酸聚糖主链上插入一些鼠李糖和阿拉伯糖单仲。

有研究发现PG的适宜底物是多聚半乳糖醛酸(张永庆等,1996)。对番茄(Brady等,1985;

Grierson}llTucker,1983)、芒果(Mitcham等,1992)、梨(Yoshioka等,1992)、香蕉(Agravante等,1991)、桃(Pressey等,1978)等果实PG活性变化与果实软化关系的研究表明.PG与果实成熟软化密切相关。

随着PG编码基因及其反义RNA转基因番茄植株的获得.使人们对PG在果实软化中的作

用有了更深入的了解。PG基因的表达受转录水平调控,在突变型’r/n’番茄果实中,自身其有PG基因,但PG基因的转录受到了严重抑制,与正常碰果实相比.其成熟过程的mRNA水平仅为正常型果实的约1/100(DellaPenna等,1989);不溶质桃果实中的PGmRNA水平也明显低丁I溶质桃的(Lester等,1994):采Ⅲ反义RNA技术获得的PG反义RNA转基冈乔茄,证实了PG反义RNA抑制了PG基冈的表达(Smith等.1988),是通过干扰mRNA的积累过程来抑制靶基因的表达的(罗云波,1995)。Smith(1988)的I’作还发现正义的PG基因同样能抑¥1]PG基

冈表达,认为这是一种协同抑制效应.正义转基冈引发了反义RNA的产生(Grierson等,1991),得到了正义和反义两种基因的相似结策(Grierson等,1992)。

PG反义RNA转基冈舔茄果实成熟jⅢ哪的PG活性被抑制了90%.但果实软化进程与对照

无差异(Smith等,1988),Giovannoni博(1989)认为PG引起的多聚半乳精醛酸水解不足以诱发果实的软化,它至少不是番茄果实成熟软化的戈键酶。

3.2木葡聚糖内糖基转移酶(XET)基因

许多果实斤熟、贮藏期间的硬度F降1J细胞壁相关酶的修饰有天,过去人们认为PG是

_娶实成熟软化的一个天键酶(McGlasson.1985),伊随着采后分子生物学的深入研究,PG在果实成熟软化中的作Ⅲ出现了不同的结果。近年来人们把注意力集中到了一些细胞壁的{r果胶纽分、纤维素、、f|纤维素以及竹埘厂它们的酶。XE]、鹾是最近发现的一种能引起细胞壁嘭胀松软(Fry.等,1992),并与粜实软化相芙的酶(Redgwell}IlFu,1993)。

Redgwell¥11Fry(1993)研究猕猴桃后熟软化进程的XEq’活性变化及其与细胞壁膨胀松软

的关系发现.外源乙烯处理诱导的果实软化过稃,XET活性怏速增加,促进了细胞壁的膨胀松软.该过稚累胶物质的溶解与细胞罐的膨胀,节平j,交化,认为细胞肇的松动是其他与成熟有关的细胞壁水解活动的必需条什.XETi舌陛变化与果实软化密切相关,冈为乙烯处理后出现伴随果实软化的细胞啦变化,多聚糟}Il低聚话i司内糖基转移作IH.可使细胞壁的l司定结构丧火。最近Schroder等11998)认山XEql:仅具有小葡聚锖内糖蜃转侈作Hj,而且还有解聚和水解的功能,XET庄果实成熟衰也:三桦的作刖首先是‘吏连接纤维素微纤丝问的水葡聚糖链解聚.进而使水筒梨糖链发生不s,j逆的破裂:XET艟化舟勺解聚作用有两种机制,即:作为水解酶解聚水葡聚糖和皑化多聚精车¨低聚糖间的木葡聚糖内糖基转移作j}j和术葡…’、聚糖的水解作Hj促使木葡聚糖的解聚,我们(199%)的最近研究认为,XET并jF果实软化的

戈键丽子,可能只是一种诱导酶.但XETfl为最新发现的一种细胞壁松软酶,其对果实后熟衰老过程的作用尚不清楚。

3.3B.半乳糖苷酶基因

B.、},乳糖营酶在某监果实,如苹宋(S]ddigui_|:lrBangerth,1995)、芒果(All等t1995)、

木KI(Lazan等.1995)、甜馔桃(Andre、vs和Li,l994)、鳄梨(Veau曹,1993)等的粟实成熟软化过程中起着重要的作Ⅲ,该酶町以使细咆荤的一些组分变得不稳定,促使细胞氅膨胀松软(Ross等,l993)。

目前已从苹果(Ross等1994)、芦笋(King}llDavies1995)、青花莱(Downs;alAimira1995)、

番茄(Camy等1995){11康乃馨(Raghothama':9.1991)葛植物组织中克隆到了13-、F乳糖营酶基网。在苹果粜实成熟过秤.8.、F乳糖苗酶mRNA的积累与乙烯的白我催化相一致(Ross等/994),在芦笋(King{//Davies1995)}11康乃馨(Raghothama等,199i)上也得到相似的结果。

我ff](2000)从成熟猕猴桃果实中兜隆到了一个13.、|,乳精茁酶基闻片段,用该片段为探

针进行Northern分析表明,在果实采收时.纷织中的13.、r乳糖苻酶mRNA虽为丰富.随后下降.同时B.、}乳糖苷酶mRNA订]为外源乙烯诱导衫j累,但矗:果实乙烯跃变期间B-、}乳糖菅酶基闻的表达信号无丑并变化.这不同1。苹果果实成熟过;陧(Ross等.1994)的表达模式。P.j{,乳糖营酶可能往猕骐桃果实软化启动阶段起作州.

3.4纤维素酶基因

纤维素是细胞墅的骨架物质,它的降解意味着细胞壁解体和果实软化。在鳄梨和草莓

果实软化进程中,纤维素酶活性增加,并导致细胞肇的膨胀松软(Abeles和Takda,1990;Chdsloffersen镎,1989)。

在草莓果实成熟过程中,纤维素酶基冈Cell}NCe]2有着不同的表达模式,Cel2在绿熟果

实中即有表达,从绿熟到果实转向过程中,其mRNA不断积累,并在果实后熟过程维持稳定增加;相反,在绿熟果实中,检测不.igCell转录本,即使在转白果实中,其表达水平也很低,进入聚实后熟期间,CellmRNA逐潮增加,井在果实完全成熟时达到最高。认为cell和Cel2的这种表达模式在果实厉熟软化过程起着重要作州(Llop—Tous等。19991。对鳄梨果实纤维素酶基因(Cell)的研究也表明,在朱成熟果实中CellmRNA很低,到果实成熟期间,增加了37倍(Cass等,1990):乙烯处理可以促使桃果实中pCel10mRNA的积累(Trainoni等,1997)。但Brummell等(19991报道,将纤维素酶基因(Cel2)反义导八语茄植株,在成熟转基因果实中,Cel2mRNA水平被减少T95%以上,但其乙烯生成与对照相比无差异,通过抑制纤维素酶基因表达,也没有表现出对后熟过程果实软化和质地变化的影响。

4碳水化合物代谢相关酶

对丁-一些富含淀粉的果实而言,淀粉的积累与水解与果实后熟软化有着相关性。如猕

猴桃果实发育后{{|j,淀粉的积累可达果实总于重的50%左台(Beever和Hopkirk.】990)。淀粉作为细胞内食物对细胞起着支撑作_【}』,并维持着细胞膨乐。果实采后后熟种贮藏过程,淀粉被水解井转化为可溶性栝,从而引起细胞膨胀力的F降.导致了果实的软化(Mpaia等,

1987)a羹,

猕猴桃等果实成熟过裂淀粉水解生成蔗糖和己糖,伴随有蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性增

加,这种淀粉降解和耱含量的增加与SPS最大活性值有关(MacRae等,19921.认为SPS是上述过程蔗糖合成所需要的(Langenkamper等,1998)。晟近已从成熟猕猴桃果实中克陛到了SPS基因全K序,U(Langenkamper等.1998:Raymond等,私人通讯),Northern分析表明,当果实在树成熟时.随着淀粉开始降解,SPSmRNA水平节持续增加,并可被采后乙烯处理所加强,当脱离乙烯处理后,SPS转录本F降:乙烯跃变期间,SPSmRNA再度增加,同时淀粉水解完全;低温处理也可使果实中SPS转录本积累(Langenkamper等,1998)。但SPS在猕猴桃果实成熟过程的作用还不清楚。由T-sps在碳水化合物代谢的中间环i符,尤其在淀粉降解和蔗糖合成过程起作用.故它在一些富含淀粉果实如猕猴桃(Langenkamper等,1998)和香蕉(doNascimento等,19971等果实成熟软化过萃『l!的作心也正引起人们注意。

细胞膜降解相关基因

脂氧合酶(LOX)专~催化含有顺,顺.I,4一戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸加氧反应,生5

成具有共轭双键的氢过氧化物,是一个催化细胞膜脂脂肪酸发生氧化反应的主要酶,也是启动细胞膜脂过氧化作用的主要冈子。

LOX活性变化与果实成熟衰老密切相关(陈昆松等,】999)。番茄果实从绿熟期到转红

期的进程.伴随有LOX活性增加,外源LOX处理可增加果实组织的电导率,加造成熟衰老(罗38

云波.1994),番茄果实微粒体LOX活性从绿熟期到转红期增加了48%,剖红熟期其活性又降至绿熟期水平(Riley筲,1996)。西茄朵实采后初期LOX活性的增加与果实成熟的启动(Droillard等,1993)}tI成熟衰老伴随的膜功能丧火(Todd等,1990)有犬。

LOX调节绲织衰老的主要机理有:K参与了膜脂过氧化作用,导致细咆膜透性增加,促进胞内钙的积累,激活了磷酸脂酶活性,加速了游离脂肪酸进一步从膜脂释放,加剧了细胞膜的降解;3膜脂过氧化产物和蟆错过氧化过撑产生的自由羹进而毒害细胞膜系统、蛋白质和DNA.导致了细胞膜的降解手¨细胞功能的艇火:贸L0x还可能在果实成熟过程的内源激素间的平衡中起作川。LOX参与的膜脂过氧化作』H产物可进一步促{吏JAflIABA等衰老调铃冈子的生成,并参与了乙烯的生物合成,促进组织衰老。

从番茄中克隆到的4种不同LOX基冈,即从果实中得剑的tomloxA}lltomloxB(Ferrie等,1994),和从叶片中得到的tomjoxc和tomloxD(Heitz等,1997),住不同的组织或同一组织的不同芨育阶段,有不同的表达类型。研究发现tomloxA在种子和成熟果实中表达,而tomloxB只在果实中表达(Ferrie等.1994):tomloxC庄成熟果实的转色鼽{f隍[熟贿有表达信号,而在绿熟果中无表达信号,该基闭不在叶片}}】花器中表达,且不破伤害卢斤诱导:与tomloxC相反,tomloxD主要住叶片、萼片、花瓣和花的雌性器官中表逃,同时其表达可破伤害所诱导.在绿熟聚车¨转色果中也有微弱的信号(Heitz等,1997)。认为tomloxB(Ferrie等,1994)雨ltomloxC(Heitz等,1997)为两种不同的礴茄累实成熟专一基冈。

反义LOX基因在兵豆原,上质体中的表达,抑制了70%LOX活性.而摹冈的正义表达|l!J|增加了20%LOX活性(Maccarron苫.1995):住拟南芥菜中,转反义LOX一2基冈植株的LOX基冈表达受剑抑制.但一部分表边止义基冈植椿的LOX基田表达信_;}褥到加疆,而另一部分转正义基冈植株的LOX基冈表达被抑制:碍其中=珂咧转Ⅱ!义摹冈植株的mRNA平【I蛋白质水平进行分析,NorthernJ舟交表明,与对照相比,LOX基闪住叶片#I花序中表达被强烈抑制,Western杂交显示原生质体甲!I≈LOX.2兰Fj硬币疋对照的】j15,虽然在转基冈植株的叶片和花序中LOX表达受到严重抑制,JAfl々积累也受阻.但植株生长发育与对照无筹异(Bell等.1995、。

迄今有天LOX基因在泉实成熟衰老过侔的涌控岍究共少.仪周限△.一年生作物番茄果实上。我仃j(1998)首次从多年生作物猕猴挑果实r|J符剑_J,一个824bp的LOX基冈片段(pKLCl),它与拟南芥(Melan等,1993)、黄瓜(Mmsui筲.1995)、豌豆(Rodriguez.Concepcion;}llBeltran,1995)、十旦(Kolomiets等,1996)、水稻(Ohta等.1992)、人豆(Bunker等,1995)、烟草(Veronesi等,1995)¥11爵茄(KauschglHanda.1995)的授营酸同源睦为59.0%~74.6%,氮基酸同源性为63.1%~76.3%。southem杂交显示,住中华猕猴桃基冈组中.pKLCl片段为一低拷贝数基内家族所编码。pKLCl是从多年生作物中克隆剑的第一个LOX基闪片段.为研究果实成熟衰老机理提供新的途行。

州克隆剑的pKLCl¨‘探针,研究猕猴姚果实成熟软化垃HLOx基冈的_挺达类掣.结果表明,LOxmRNA在耐上印已宵时积累,砸着果实采收和f果实后熟进群早r降变化,外源乙烯处理可诱导mRNA的积豢,果实乙烯双业过样.LOXmRNA早运渐积累.1}f_乙烯跃变峰出现前达剑晟人,之后F蹄。低混(O℃)处删可诱导LOXmRNA的瞬问急述积累.这种诱导效应可破持续的低温口、:域所减弱(陈娃除苫,木发表资料)

6其他基因

其他果实成熟相关基因还有红树莓的PG抑制蛋I勺(PGIP}基因(Ramanathan等,1997)、苹果的口AP4(Ross等.1992)、pAPl5(Atkinson等,1996)¥rlETR(Song缚,1998)、香蕉的pBAN系列基因(Clendennen和May,1997)}IlpBANUU系列基因(Medina-Suarez等.1997)、猕猴桃的pKIWl503(Ledger}.1lGardner.1994)以及ERl、LDH、HDC、Exp、ADH、pRIBs、ERTs、ASR、MPGs、FANRs(冈特网资料)等。

7结语

综上所述,果实成熟衰老的影响因子是综合的,不同的成熟衰老相关基冈,网一种基冈在不同种类果实中的作用方式有所不同,而且同一基冈的不同同_[型(不同序列)有着不同的生理功能。对众多成熟衰老相关网子的比较,探讨其相互关系平lf时空表_i占顺序,评价相关基因的功能,更有目的地加以利用,是进一步改善采后果实贮运性的基础,也是果实成熟衰老研究及其调控的新内容。

参考文献

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22BunkerTWKoeueDS,StepherbonLCCreelmanRAMulletJEandGrimesHDSlagLmitationmducestheexpressionof

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24CassLGKirvenKAChn‘toflersenREI、olattonandcharaclenzat.10nofacellulasegonehmnmemberexpresseddunng

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25ChangCKwokSF.BleeckerABetalAmb]dops,setll、leneresponsegone12I'R1slmdarit?,ofproducttoIV,O-component

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26ChugC、MeyeroⅥitzEMTheelhlonehormoneresponseinAraNdopslsaeukawouct*c-componentslgnalmgsystemProcNail

AcadgcIUSA1995924129.33

27ChdstoffersenRECassLGMcGan“DJPerclxa{Fuand№埘kKRCharactertzattonandexpressiollofaripening-reduced

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v,all—thosenmgenz3n19acfixibfromplantsBlochemJ19q2282821828

36ahoshSJ,XlewOQueslAFGdalTh州m’讹-richTeglonofR“lkmasecontamsmnclranslocatelothehposomes、andl5

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37GmvannomjjDcllaPennaDBennenABandFlschelRLExpressmnofach]mencPOl3。gaiacturonasegoneinnnfripening

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AdvancesinFruitRipeningandSenescence—relatedFunctionalGenesandtheirRegulationChenKunsong1,ZhangShanglong!

(7College《l啦mPncPs?:Departmentqflhorncultt』7eZhengttan91117lvFrsll],,,Ilanff=hou310029

AbstractFunctionandregulationofgene-relatedlOethylenebiosynthesis.eth)lenesignaltransduction.

cellwallhydrolysis,carbohydratemetabolismandceilmembranedegmdationduringfruitripeningandselle=scencewerereviewedThemolecularph)siologicalmechanismofthegenesinfruitsenescencewasdiscussedaswell

KeywordsFmjt:Ripening;SeBesccnce:Functionalgene:Regulation4

果实成熟衰老功能基因研究与调控

作者:

作者单位:陈昆松, 张上隆浙江大学生命科学学院园艺系(杭州)

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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_123883.aspx


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