A histone deacetylase gene, SIHDA3, acts as a negative regulator of fruit ripening and carotenoid accumulation
- 作者
- Jun-E Guo, Zongli Hu, Xiaohui Yu, Anzhou Li, Fenfen Li, Yunshu Wang, Shibing Tian, Guoping Chen
- 单位
- 重庆大学生物工程学院番茄分子生物学实验室；重庆市农业科学院蔬菜研究所
- 杂志
- Plant Cell Reports（2017）
- DOI
- 10.1007/s00299-017-2211-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
番茄组蛋白去乙酰化酶基因SIHDA3在果实成熟和类胡萝卜素积累中的功能及其调控机制尚未被实验阐明。
研究策略
通过RNAi技术沉默番茄SIHDA3基因，获得转基因株系，比较转基因与野生型在果实成熟进程、类胡萝卜素和叶绿素含量、乙烯产量、乙烯三重反应及成熟相关基因表达上的差异，以揭示SIHDA3的负调控作用。
核心内容
本研究通过RNAi技术沉默番茄组蛋白去乙酰化酶基因SIHDA3，系统解析了其在果实成熟和类胡萝卜素积累中的负调控功能。转基因株系叶片中SIHDA3表达量下降约90%，果实成熟较野生型提前2至3天，在破色后4天和7天时总叶绿素含量降低约50%至60%，类胡萝卜素含量增加5%至15%。沉默株系乙烯产量显著升高，乙烯合成关键基因ACS2、ACS4、ACO1、ACO3以及成熟相关转录因子RIN、E4、E8、PG等的表达均明显上调，细胞壁代谢相关基因表达也同步增强。转基因果实货架期缩短，采后12天开始软化，21天变软霉变，而野生型此时仅刚开始软化。此外，RNAi幼苗对ACC处理更敏感，表现为下胚轴更短、根更长。结果表明SIHDA3通过抑制乙烯生物合成和类胡萝卜素代谢通路负向调控果实成熟，可能位于SIMADS-RIN上游参与成熟调控网络，为表观遗传修饰调控果实成熟提供了直接实验证据。
创新点
首次在番茄中对SIHDA3基因进行功能性验证，证明其作为果实成熟的负调控因子，通过抑制乙烯生物合成和类胡萝卜素积累来调控成熟进程，为表观遗传调控果实成熟提供了新证据。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 果实成熟表观调控 | SIHDA3 | 组蛋白去乙酰化酶3 (HDA3) | 调控 | RNAi沉默导致果实成熟提前和类胡萝卜素积累增加 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 乙烯生物合成 | ACS2 | 1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶2 (ACS2) | 催化 | RNAi果实和幼苗中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 乙烯生物合成 | ACS4 | 1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶4 (ACS4) | 催化 | RNAi果实和幼苗中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 乙烯生物合成 | ACO1 | 1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶1 (ACO1) | 催化 | RNAi果实和幼苗中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 乙烯生物合成 | ACO3 | 1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶3 (ACO3) | 催化 | RNAi果实和幼苗中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶1 (PSY1) | 催化 | RNAi果实中表达上调，促进类胡萝卜素积累 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成 | CYC-B | 色素体特异性番茄红素β-环化酶 (CYC-B) | 催化 | RNAi果实中表达下调，可能影响β-胡萝卜素分支 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-B | 叶绿体特异性番茄红素β-环化酶 (LCY-B) | 催化 | RNAi果实中表达下调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-E | 番茄红素ε-环化酶 (LCY-E) | 催化 | RNAi果实中表达下调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 果实成熟调控 | RIN | MADS-box转录因子RIN | 调控 | RNAi果实中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 果实成熟调控 | TAGL1 | MADS-box转录因子TAGL1 | 调控 | RNAi果实中表达显著上调，可能受SIHDA3直接调控 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 果实成熟调控 | Cnr | SBP-box转录因子CNR | 调控 | RNAi果实中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 果实成熟调控 | E4 | E4蛋白（乙烯响应蛋白） | 调控 | RNAi果实中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 果实成熟调控 | E8 | E8蛋白（双加氧酶） | 催化 | RNAi果实中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 果实成熟调控 | Pti4 | 乙烯响应因子Pti4 | 调控 | RNAi果实中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 脂氧合酶途径 | LOXB | 脂氧合酶B (LOXB) | 催化 | RNAi果实中表达显著上调 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 细胞壁代谢 | PG | 多聚半乳糖醛酸酶 (PG) | 催化 | RNAi果实中表达显著上调，与果实软化相关 |
| Solanum lycopersicum (番茄，品种Ailsa Craig) | 细胞壁代谢 | HEX, MAN, TBG4, XTH5, XYL | β-己糖胺酶、甘露聚糖酶、β-半乳糖苷酶、木葡聚糖内转糖基酶、木糖苷酶等 | 催化 | RNAi果实B+4阶段表达均显著上调，参与细胞壁降解 |
关键发现
- SIHDA3 RNAi株系叶中表达量降低约90%
- 果实成熟时间较野生型提前2-3天
- 在B+4和B+7阶段总叶绿素含量降低约50-60%，总类胡萝卜素含量增加5-15%
- 乙烯产量在B+4和B+7阶段显著升高
- 乙烯合成基因ACS2、ACS4、ACO1、ACO3及成熟相关基因RIN、E4、E8、PG、Pti4、LOXB、Cnr、TAGL1表达均显著上调
- 细胞壁代谢基因HEX、MAN、TBG4、XTH5、XYL表达增强
- 转基因果实货架期缩短，采后12天开始软化，21天变软霉变，而野生型仅刚开始软化
- RNAi幼苗对ACC处理更敏感，下胚轴更短、根更长。
研究结论
SIHDA3是番茄果实成熟和类胡萝卜素积累的负调控因子，通过影响乙烯生物合成和类胡萝卜素代谢通路发挥作用，可能位于SIMADS-RIN上游参与果实成熟调控网络。