果实成熟分子生理的研究进展

1、（4）：浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis14244248，2002果实成熟分子生理的研究进展龚亚明1，毛伟华22（1浙江省农业科学院蔬菜研究所，浙江杭州310021；浙江大学农业与生物技术学院，浙江杭州310029）摘要：对果实发育和成熟过程中乙烯生化合成和响应、细胞壁代谢、光信号传导等三方面作了综述，并对今后的研究方向进行了探讨。关键词：乙烯信号传导；细胞壁代谢；光信号传导中图分类号：S66文献标识码：A文章编号：（2002）1004-152404-0244-05Advancesinmolecularbiologyoffruitmaturationand

2、ripening：GONGYa-ming1，MAOWei-hua22（1InstituteofVegetables，ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences，Hangzhou310021，China；CollegeofA-griculture&BiotchnologyofZhejiangUniversity，Hangzhou310029，China）Abstract：Molecularandgeneticanalysisoffruitdevelopment，andespeciallyripeningoffleshyfruits，hasre-sultedinsi

3、gnificantgainsinknowledgeoverrecentyears.Greatstrideshavebeenmadeintheareasofethylenebiosynthesisandresponse，cellwallmetabolism，andenvironmentalfactors，suchaslight，thatimpactripen-ing.Thisreviewattemptstocoalescerecentfindingsintheareasoffruitdevelopmentandripening.Keywords：ethylenesignaltransductio

4、n；cellwallmetabolism；lightsignaltransduction果实成熟是指果实生长发育停止后发生的一系列生理生化变化的综合过程，是形成其典型的外观和食用品质的过程，如化学成1分、外观色泽、质地或其它感官等。根据果实发育成熟以及品质和产量相关性不同，目前已确立了番茄、拟南芥、草莓为代表的3种果实成熟模式系统。人们通过对成熟模式系统的研究，可得到许多关于成熟分子调节的重要信息。实在成熟期间有无呼吸高峰区，可将果实分为跃变型和非跃变型二类。跃变型果实的典型作物有番茄、香蕉、西瓜、苹果、桃、杏、枇杷等，非跃变型果实有柑橘、葡萄、甜樱桃、草莓、菠萝等。在果实成熟过程中，如何有效

5、地与许多果实成熟过程不相关的过程和途径协调，是果实成熟过程中的关键问题。按照果1乙烯信号传导早在1934年，Gane就指出果实在发育过程中会产生乙烯（C2H4），乙烯可能是一种能促进果实成熟的激素。随后，有关乙烯的生成和作用一直是果实成熟研究中的一项重要1内容。呼吸跃变与果实内乙烯的释放具有收稿日期：2002-06-10作者简介：龚亚明（1969-），男，浙江宁海人，从事农作物研究和推广工作。密切关系，内源乙烯含量超过某阈值，是果实发生跃变的前提，此值大约为0.11.0mg而呼吸现象kg-1。果实跃变是乙烯诱导的，龚亚明等：果实成熟分子生理的研究进展以及其它相继出现的如RNA和蛋白质的合成增多

6、、细胞透性变化等都是其次生现象。跃变型果实在成熟时发生一系列急速的化学成分变化，包括贮藏的多糖水解、细胞壁构成物（如果胶）的水解、有机酸变化、香气增加、乙烯生成量上升、涩味消失和色泽变化等。这一系列成分上的变化导致了相应果实组织崩溃，硬度下降。而多数非跃变型果实成熟氨酸残基上接受来自感受分子中组氨酸残基的磷酸。在ETR1、其特征是ETR2、EIN4中，接受器结构域和感受分子都结合在同一分子这中。而ERS1和ERS2则缺少接受器结构，意味着这些分子也使用着ETR1、ETR2、EIN4接受器结构或其它反应调节器。外界乙烯通过铜辅助因子进入由ETR1、ETR2、EIN4、ERS1和ERS2的N端形成

7、的镶嵌在原生质过程缓慢，各种变化都是渐进的，不像跃变型果实那么急速。因此，在果实成熟时，跃变型果实与非跃变型果实的生理变化有明显区别。根据果实受烯处理时其乙烯生成反应的不同，通常认为乙烯合成具有2个调节系统。系统存在于非跃变型果实和未成熟的跃变型果实中，负责调节基础水平的乙烯合成和创伤诱导的合成，不能自我催化；系统负责跃变型果实成熟时乙烯的自我催化合成。Adams首次发现ACC是乙烯生物合成的直接前体。Yang确定了植物体内乙烯生物合成途径，提出乙烯的生成是以甲硫氨酸为底物，经S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成酶、ACC合成酶催化转化成ACC。这一过程中的限速反应步骤分别由ACC合成酶和ACC氧化

8、酶催化完成（图1）2。随着植物体内乙烯生物合成途径的明确和分子生物学的发展，对植物内源乙烯的合成进行调控已成为可能。目前，通过反义RNA抑制ACC氧化酶和ACC合成酶在果实保鲜上获得了广泛成功。相比而言，乙烯受体系统的研究还刚刚起步，图1显示了乙烯合成和信号传导模式3，4。目前研究较多的是拟南芥乙烯受体，拟南芥乙烯受体由5个膜蛋白（ETR1，ETR2，EIN4，ERS1和ERS2）组成，与在细菌和真菌中发现组氨酸激酶调节器相似，也由双组分系统组成。这个双组分系统通常由一个具有组氨激酶结构的感受分子和一个具有接受器结构域的反应调节器组成，前者能自动磷酸化以响应环境刺激，而后者能在其天冬膜的亲水区

9、域，乙烯的结合使受体分子失活并引起CTR1蛋白失活，这是一条负向调节途径。CTR1蛋白类似于哺乳动物和果蝇中Raf蛋白激酶家族的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，因而推测CTR1蛋白可能是分裂素激活的蛋白激酶激酶激酶（MAPKKK）。进一步传导乙烯信号需要位于CTR1下游的EIN2、EIN3、EIN5、EIN6乙烯响应正向调节因子，但这些分子如何在生化水平上传导乙烯信号，目前仍不清楚，信号从CTR1传至EIN2可能涉及MAPK的级联放大。目前已知EIN2是一种膜结合蛋白，EIN5、EIN6的功能却仍不得而知。EIN2的下游是核蛋白EIN3和它的同聚物EILS，当CTR1蛋白失活时则可依次激活EIN2蛋白

10、和EIN3家族，EIN3家族的转录因子就结合在位于乙烯响应因子（如ERF1图1乙烯合成和信号传导模式245浙江农业学报第14卷（2002）基因）的起动子上的EIN3结合位点并激活ERF1基因使其表达。然后ERF1与乙烯响应基因的GCC-区互作起动了乙烯响应基因，从而产生乙烯响应。至于其它的乙烯响应因子结合蛋白（EREBPS），作为乙烯调节的转录起动子或抑制子，也可能位于EIN3家族的下35游而起作用。除了PG外，目前也研究了其它一些与果实成熟相关的细胞壁代谢的酶，有的已鉴定出功能如果胶甲基酯酶（PME）、葡聚糖酶等等。在果实发育中果胶甲基酯酶表现出活性，可以提高PG对果胶底物的可得性。反义抑制

11、番茄果实PME导致果胶降解下降，但与PG抑制一致，它不改变其它成熟特性，包最近在番茄上也分别克隆到与拟南芥乙烯受体基因ETR1、ERS和ETR2同源的LeETR1、LeETR2、NR、LeETR4和LeETR5等5个乙烯受体基因。它们在分子结构和表达特性上都具有明显差异。至于这些基因在整个乙烯受体系统中的确切功能，目前尚处于研究中。已有研究表明NR和LeETR4在成熟过程中表达增加，反义抑制NR对乙烯信号影响和LeETR4表达影响相比而言，前者产生的影响不大，而LeETR4表达明显增加。这表明反馈机制导致LeETR4表达明显增加以作为对缺失NR的补充。抑制LeETR4表达并不能使NR表达产生任

12、何变化，但却导致叶子偏上生长及未成熟花衰老，加速成熟，这意味着乙烯信号的负调节功能。在转基因介导的LEETR4抑制系列中，乙烯响应加强的表现型增多4。最近，郑铁松等提出LeETR1可能在叶片的形态建成、果实成熟和顶钩发育中起着重要作用6。总之，植物体内乙烯的感受和传导系统是极其复杂的，各种乙烯受体在植物发育过程中表达特性不同，可能起着完全不同的作用。2细胞壁代谢和变软由于在番茄成熟过程中可提取的内源多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性越来越高，人们开始重视对番茄内源PG基因的研究，开展番茄PG基因在转基因植株中的一系列功能鉴定。功能基因分离表明单独的PG活性不足以对组织产生明显的影响，它可能是与其它因

13、素协同发挥作用的7。246括软化8。分别被命名为CEL1和CEL2的两个番茄葡聚糖酶在果实成熟中表现不同，尽管它们反义抑制对果实成熟和变软没有明显影响，但是CEL1抑制能抑制花梗脱落9，而CEL2抑制能抑制果实脱落10。在果实成熟过程中这些基因的表达意味着它们在果实细胞壁代谢中的作用。然而，在可得的转基因品系中缺少明显的成熟表现型，意味着它们可能是功能冗余的或者是更复杂代谢的组成部分。此外，从对番茄果实膨大素的分析中获得了许多与成熟有关的组织修饰中较为肯定的结论。膨大素是一种细胞壁蛋白，在各个不同的发育阶段，它与许多组织的大小和形状的变化有关11。已分离到番茄和草莓果实成熟中上调的膨大素基因。

14、对番茄果实专一性的膨大素（Exp1）抑制会导致果实软化变轻。过分表达Exp1导致软化程度提高12，13。这些结果表明，尽管果实细胞壁水解酶活性可能在成熟过程中体内组织软化起重要作用，果实膨大素明显有助于软化作用。3光信号传导和果实胡萝卜素积累番茄果实成熟过程中，目前的研究（Rob等）表明光对色素的影响很大，而对其它成熟现象没有明显作用14。番茄果实由绿向红色转变在很大程度上是由于叶绿体向有色体转变的缘故。当光合膜降解，叶绿素被代谢，胡萝卜素包括胡萝卜素和番茄红素逐渐积累。在番茄和柠檬成熟过程中，胡萝卜素合成调控是由于或多少龚亚明等：果实成熟分子生理的研究进展是由于成熟有关的乙烯诱导基因表达。尽

15、管有人报道许多番茄突变体在色素积累上有变化，但很少鉴定到净胡萝卜素积累。RonenG等成功地分离得到调节番茄果实中胡萝卜素和番茄红素的相对水平的关键基因番茄红15素环化酶基因。该酶调节番茄果实中胡萝卜素和番茄可能有利于果实品质和营养的改善。4前景综上所述，近10年来，有关果实发育和成熟过程中的乙烯的生化合成和响应、细胞壁代谢、光信号传导等三方面的研究己取得突破性进展，这为进一步从分子水平上揭示人们对植物果实成熟的机理创造了条件。1）红素的相对水平。这一基因的发现进一步阐明番茄和cr突变体的分子基础。突变体果实具有较高的胡萝卜素水平，cr突变体果实则只积累番茄红素而无胡萝卜素。这些突变体正是依靠

16、环化酶基因表达的提高和减少来改变胡萝卜素和番茄红素的积累。胡椒基因分析表明许多负责番茄果实色素的位点不仅可能在胡椒中是保守的，同时也可能在更广泛的品种间保守16。隐性高色素-1（hp-1）突变体17是果实胡萝卜素积累论点的一个特别有意义的突变体。相对于大多数番茄胡萝卜素突变体，hp-1提高了果实发育过程中茄红素和胡萝卜素积累。另一突变体的表现型与hp-1相同，被命名为hp-2，但与hp-1是非等位的18。hp-1纯合等位基因在番茄幼苗期表现出具有增强去黄化反应的特性。相对于正常植株，hp-1/hp-1具有抑制胚轴伸长和加强花色素苷色素化的作用，在红光下有着最大的表现型表达。番茄幼苗去黄化反应是

17、光敏素反应，它能被蓝光加强，这意味着hp-1可能影响光敏素和蓝光受体作用和/或信号19。拟南芥是作为分析光信号转导的分子基础的最广泛研究系统，有许多突变体被鉴定并被认为代表着具有光信号负向调节子功能的基因。这些基因可能与正常HP-1等位基因有相同功能。实际上，最近发现番茄hp-1突变体代表了拟南芥去黄化的同族物20，21。这一结果更进一步说明了一般光信号在果实色素积累中的功能，并表明这些功能的研究体内乙烯生物合成途径的逐渐了解，通过反义RNA抑制ACC氧化酶和ACC合成酶在果实保鲜上获得了广泛成功。虽然目前在乙烯信号传导途径上仍有许多问题有待进一步探明，但基因组和蛋白组学的开展为解决这一问题创

18、造了条件，从而可望今后能利用乙烯受体基因调控果实发育和成熟。2）果实胡萝卜素合成大部分基因的发现和光在果实成熟中的作用，可能为改善果实品质和营养成分创造了条件。参考文献：物生理与分子生物学M.北京：科学出版社，1998.610-619.熟的研究进展J.福建农业大学学报，2000，29（4）：421-428.3YuemingJ，JiaruiF.Ethyleneregulationoffruitripening：molecularaspectsJ.PlantGrowthRegul，2000，30：193-200.ripeningJ.AnnuRevPlantPhysiolPlantMolBiol，2

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