正常成熟与不成熟西瓜果实中ACS、ACO 基因表达及乙烯产生的动态比较

    周 明 郭绍贵 张洁 张海英 李常保 唐晓伟 任毅 宫国义 许勇

    

    目的与意义：乙烯对非呼吸跃变型果实的成熟调控机制尚不明确。西瓜果实属于非呼吸跃变型果实，据报道称，外源乙烯处理会导致西瓜果实软化加速和水脱。以呼吸跃變型果实番茄为对照，拟测定西瓜果实乙烯的释放量和组织乙烯（CIE）含量，分析乙烯合成酶基因ACS和ACO基因在不同类型西瓜果实成熟过程中表达量变化，希望能解析乙烯在非呼吸跃变型西瓜果实成熟过程中的作用、获得调控西瓜果实成熟的关键基因。

    材料与方法：以番茄果实为对照，测定正常成熟‘97103和不成熟‘PI296341-FR果实中乙烯的释放量和组织中乙烯的含量。通过全长比对和蛋白结构域分析西瓜基因组ACS和ACO基因，利用Blast2GO软件（v2.5.0）获取ACS和ACO候选蛋白，利用InterproScan和PFAM分析候选蛋白结构域，利用分子进化遗传分析软件（MEGA）5.0构建系统进化树，利用qPCR检测‘97103果肉成熟过程中ACS基因和ACO基因的表达量。

    结果与分析：（1）果实发育过程中的乙烯产量：西瓜‘97103和‘PI296341-FR果实的乙烯释放量在整个发育过程中都处于极低水平。西瓜果肉中的CIE约为番茄的1/10，其含量明显高于西瓜果实乙烯释放量，模式也明显不同。（2）乙烯合成酶的活性：西瓜果肉中的ACS活性比番茄低约3～7倍，并且在2个品种果实发育期间显示出不同的模式。在‘97103果肉中，ACS活性从10 DAP至18DAP和26DAP成倍增加。‘PI296341-FR果肉中的ACS活性明显较低，并且在4个发育阶段没有显著差异。在西瓜‘97103果肉中发现相对高水平的ACO活性。与‘97103相比，‘PI296341-FR果肉中ACO活性平均水平要低得多。（3）ACS和ACO基因的鉴定和系统发育分析：在西瓜基因组中识别到8个ACS基因（Cla000483，Cla006245，Cla006634，Cla011230，Cla011522，Cla014057，Cla014652和Cla022653）和8个ACO基因（Cla004353，Cla010665，Cla013516，Cla014414，Cla014827，Cla016287，Cla016825和Cla023189）。将西瓜ACS/ACO与拟南芥，番茄和草莓中ACS/ACO的蛋白质进行系统发育分析。西瓜ACS基因Cla006634与番茄SIACS2和SIACS4，草莓的FaACS1分为一组，Cla014652与番茄的SIACS1A和SIACS6分为一组，西瓜ACO基因Cla016287和Cla014414与番茄SIACO1，草莓FaACO1和甜瓜（Cucumis melo L.）CmACO1基因密切相关。（4）乙烯合成基因的表达：鉴定到8个ACS和8个ACO基因，排除有限转录的基因，最后确定4个ACS基因（Cla006245，Cla011522，Cla014652和Cla022653）以及4个ACO基因（Cla010665，Cla013516，Cla014827和Cla016287），进行阶段和组织特异性表达分析。4个ACS基因在西瓜果肉和其他组织中表现出不同的表达模式（原图3）。在整个果实发育过程中，Cla011522和Cla022653均以成熟依赖性方式表达，并且它们的转录水平在‘97103果肉成熟时高度诱导，显著高于其他2个ACS基因Cla006245和Cla014652。4个ACO基因显示出不同的时间和空间表达模式（原图4）。Cla014827在成熟的果肉中特异性高表达，在‘97103果肉26DAP时达到峰值。Cla016287在‘97103的果肉和中果皮（18DAP）表达量都很高，但在其他组织较低。在‘PI296341-FR中，Cla016287以类似的方式转录，但水平相对较低。相比之下，成熟果实中的Cla013516和Cla010665以相对低的水平表达，并且在10DAP时到达早期峰值，然后在整个发育过程中急剧下降。

    结? ? 论：为西瓜成熟过程中乙烯生物合成与作用提供了新的见解。与不能成熟的野生西瓜‘PI296341-FR相比，正常成熟的栽培西瓜‘97103果肉产生乙烯的能力更高，表明栽培西瓜通过乙烯调控更多的生理活动，例如果实软化。另外，栽培和正常成熟西瓜的基因组是否与番茄相似，通过严格调节乙烯生物合成和生产来维持乙烯在果实中的正常生理作用，仍有待进一步研究。