Suppression of 9-cis-Epoxycarotenoid Dioxygenase, Which Encodes a Key Enzyme in Abscisic Acid Biosynthesis, Alters Fruit Texture in Transgenic Tomato
- 作者
- Liang Sun, Yufei Sun, Mei Zhang, Ling Wang, Jie Ren, Mengmeng Cui, Yanping Wang, Kai Ji, Ping Li, Qian Li, Pei Chen, Shengjie Dai, Chaorui Duan, Yan Wu, Ping Leng
- 单位
- College of Agriculture and Biotechnology, China Agricultural University; Department of Biochemistry and Molecular Biology, School of Life Sciences, Peking University
- 杂志
- Plant Physiology（2011）
- DOI
- 10.1104/pp.111.186866
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究脱落酸（ABA）在番茄果实成熟过程中对细胞壁分解代谢的调控作用，特别是NCED1（ABA生物合成关键酶）下调后对果实质地和货架期的影响。
研究策略
利用果实特异性E8启动子驱动RNA干扰（RNAi）特异性抑制番茄SINCED1基因表达，降低果实中ABA含量，避免ABA缺乏引起的多效性表型，从而直接研究ABA对果实成熟和细胞壁分解的影响。
核心内容
该研究利用果实特异性E8启动子驱动RNA干扰，在番茄中特异性地抑制脱落酸（ABA）生物合成关键酶基因SINCED1，以解析ABA对果实成熟过程中细胞壁代谢的调控作用。结果表明，转基因果实中ABA含量及SINCED1转录水平降至对照的20%-50%，细胞壁分解相关的多聚半乳糖醛酸酶、果胶甲酯酶、β-半乳糖苷酶、木葡聚糖内转糖苷酶、内切葡聚糖酶及扩张蛋白等基因表达均显著下调，PG和PME酶活性降低，果胶积累增加。果实硬度在成熟期提高30%-45%，货架期由对照的7天延长至15-29天；单果重下降30%-40%，但因单株结果数增加，总产量未受影响；种子数由每果140-180粒锐减至4-10粒。值得注意的是，乙烯释放量反而高于对照，表明ABA对果实软化的调控并非依赖乙烯途径。该研究首次提供了ABA直接参与番茄果实细胞壁分解代谢的分子证据，揭示了ABA在果实质地与货架期调控中的独立作用，为通过代谢工程改良果实耐贮性提供了新靶点。
创新点
首次利用果实特异性启动子介导的RNAi技术特异性地抑制番茄果实中ABA生物合成关键酶NCED1，克服了ABA缺失突变体果实发育异常的障碍，提供了ABA调控果实细胞壁分解的直接分子证据。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Solanum lycopersicum） | ABA生物合成 | SINCED1 | NCED1 | 催化 | RNAi抑制，ABA含量降低 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | ABA生物合成 | SINCED2 | NCED2 | 催化 | 表达模式与SINCED1不同，后期略微下调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | ABA分解代谢 | SICYP707A2 | CYP707A2 | 催化 | ABA 8'-羟化酶，在转基因果实中表达下调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 细胞壁果胶降解 | SIPG | 多聚半乳糖醛酸酶 | 催化 | 表达下调，果胶积累增加 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 细胞壁果胶降解 | SIPME | 果胶甲酯酶 | 催化 | 表达下调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 细胞壁果胶降解 | SITBG | β-半乳糖苷酶 | 催化 | 表达下调，属于β-半乳糖苷酶前体mRNA家族 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 细胞壁半纤维素降解 | SIXET | 木葡聚糖内转糖苷酶 | 催化 | 表达下调，影响木葡聚糖重构 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 细胞壁纤维素降解 | SICels | 内切-1,4-β-葡聚糖酶 | 催化 | 表达下调，纤维素酶活性降低 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 细胞壁松弛 | SIXP | 扩张蛋白（expansin） | 催化 | 表达下调，与果实软化及尺寸相关 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | ABA信号转导 | SIPYL1/2 | PYL受体蛋白 | 调控 | 表达上调，影响ABA信号感知 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | ABA信号转导 | SIPP2C | 蛋白磷酸酶2C | 调控 | 表达上调，负调控因子 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | ABA信号转导 | SISnRK2 | SNF1相关蛋白激酶 | 调控 | 表达上调，正调控因子 |
关键发现
- 转基因果实中ABA积累和SINCED1转录水平降至对照的20%-50%
- 细胞壁分解相关基因（SIPG、SIPME、SITBG、SIXET、SICels、SIXP）表达下调，果胶积累增加
- 货架期从对照的7天延长至15-29天
- 成熟期果实硬度增加30%-45%
- 单果重量降低30%-40%，但单株果实数增加使总产量不变
- 乙烯释放量反而高于对照
- 种子数从每果140-180粒降至4-10粒
- 果汁粘度增加，提取率降低
- PG、PME和纤维素酶活性降低。
研究结论
ABA通过下调多个细胞壁分解相关基因的表达，参与番茄果实成熟过程中的细胞壁分解代谢，从而影响果实质地和货架期。这为理解ABA调控果实成熟的分子机制提供了直接证据。