LOX-HPL途径在氮营养调控黄瓜芳香物质代谢中的作用及机制研究

The unique fragrance of cucumber is one of the best favorite quality traits. It has been known that C6- and C9-aldehydes are the main volatiles in cucumber. The level of nitrogen fertilizer is one of the most important cultivation factors affecting the fragrance of cucumber. Excessive application of nitrogen results in a reduction in cucumber aroma quality, our previous result showed that content of C6 and C9 aldehydes increased during nitrogen deficiency treatments, but the molecular mechanisms regulating C6- and C9-aldehydes synthesis remain unclear. In this project. We will use reverse genetics to find the key genes involved in different pathways which are in the response to nitrogen deficiency . We will isolate genes mainly involved in C6- and C9-aldehydes biosynthesis regulated by nitrogen with bulk segregant analysis (BSA) by resequencing the available recombinant inbred lines and measuring their volatiles content. The cloned genes will be confirmed by genetic and molecular biological approaches. Our results will provide new insights into regulatory mechanisms underlying C6- and C9-aldehydes biosynthesis. It will be helpful to improve the quality of cucumber fragrance through biotechnology and cultivation.

短链醛类物质(C6、C9醛)是构成黄瓜芳香物质的主要组分，氮营养是调控芳香物质合成的重要因素。我们研究表明低氮条件下黄瓜芳香物质含量显著提高，但氮营养调控C6、C9醛合成的分子机制仍不明确。本项目拟利用反向遗传学研究低氮胁迫条件下C6、C9醛及前体物质的变化、各合成通路中重要基因表达及酶活的变化，挖掘响应低氮信号并参与调控C6、C9醛合成的重要环节。同时利用自然群体研究氮胁迫下芳香物质的变化并构建F2群体，利用混池测序(BSA)技术定位低氮条件下调控C6、C9醛合成的遗传位点。结合转录组学和差异蛋白质组学，挖掘响应低氮胁迫信号调控C6、C9醛类物质合成的功能基因及转录因子。通过正向、反向遗传学、转录组学及差异蛋白质组学等手段确定候选基因并阐明低氮胁迫调控黄瓜芳香物质合成的分子机理，初步构建氮胁迫调控黄瓜C6、C9醛类物质合成的信号网络，为运用生物技术与栽培措施提高设施黄瓜品质提供理论依据。

过度施用氮肥不仅会带来环境污染等问题，还会影响作物的品质，降低植物抵御生物胁迫及非生物胁迫的能力。本项目以黄瓜为试材，分别从转录组、蛋白组和代谢组水平研究适度低氮对黄瓜中具有芳香味的短链醛类物质合成代谢的影响，利用转基因技术解析了LOX-HPL通路响应低氮信号，提高芳香物质合成，提高抗逆性的分子机制。首先分析了低氮胁迫对黄瓜芳香物质组成的影响。结果表明，C6和C9醛是黄瓜响应低氮信号，芳香风味大幅提升的主要成分。LOX-HPL通路是合成C6和C9醛的代谢通路，该通路上的酶基因CsLOX6，CsHPL2响应短期低氮胁迫信号，表达量明显上调，推测它们是黄瓜响应低氮，黄瓜芳香风味增加的主效基因。为验证这一推测，同时也为了更全面的解析CsLOX6 和CsHPL2在黄瓜生长发育中功能，利用农杆菌转化法获得CsLOX6和CsHPL2转基因拟南芥。与野生型相比，过表达CsLOX6植株生长健壮且生长速度快，生物量更大、根系更长；过表达CsHPL的植株在生长表型却上无显著差异。代谢组数据表明过表达CsLOX6和CsHPL2的转基因植株体内代谢发生显著变化，脂肪酸、氨基酸代谢通路与野生型相比差异最大。其中，辛酸、月桂酸、褐煤酸等脂肪酸含量升高，丙氨酸、苏氨酸、甘氨酸等氨基酸含量下调。转录组数据表明过表达CsLOX6和CsHPL2后，乙烯信号通路的差异表达基因大都上调表达。在干旱和盐胁迫下，转基因植株表现出了更强的抗逆性。此外，对黄瓜幼苗施加外源反-2-己烯醛，针对生物胁迫与非生物胁迫相关的基因，检测其表达变化。结果发现，随着外源反-2-己烯醛处理时间的延长，表达量显著上调的抗逆基因数量随之增多，表明施加外源反-2-己烯醛能诱导黄瓜抗逆相关基因表达，提高黄瓜响应逆境胁迫的能力。综上可知，低氮条件下，黄瓜LOX-HPL通路迅速响应低氮信号，该通路上的代谢产物醛类物质作为“抗逆保护剂”大量合成积累，从而缓解植物遭受的胁迫；又因短链醛类物质具有芳香气味，这使得低氮胁迫下的黄瓜具有更浓郁的芳香品质。