钙调控过氧化物酶影响梨果实石细胞形成的机制

Stone cells, a kind of lignified cells, impact the bad quality to pear fruit, while the calcium can more or less inhibit its formation. Many studies showed that calcium plays important roles in plant metabolism. Our research group found that 0.5% calcium can reduce the activity of soluble and cell wall-bounded peroxidases, along with the reduction of lignin, amounting to only 65% of the control. Besides, analysis of the substrate affinity indicated the involvement of cell wall-bounded basic peroxidase in cell lignification. So, can calcium mediate the special peroxidases? and then inhibit synthesis of lignin? and following with the reduction of stone cells in pear fruit? In order to improve pear quality, basing on our established genome database, the co-regulation mechanism of calcium and peroxidases on lignin synthesis will be studied in this proposal, with the aids of laser scanning confocal fluorescence microscope, patch clamp technique, bimolecular fluorescence complementation and so on. This will be helpful to develop the application of calcium in agricultural practice, and also enhance pear fruit quality.

木质化形成的石细胞是影响梨果实品质的重要因素之一，生产中我们发现钙能够部分抑制石细胞的形成。前人研究证明钙信使系统参与了植物生理生化过程及酶活性的调控，本课题组研究证实了0.5%的钙能够抑制梨果实中可溶性和细胞壁结合过氧化物酶的活性，同时木质素合成也有不同程度降低，果实中木质素含量仅为空白对照的65%。此外，通过底物亲和性分析，鉴定出细胞壁结合碱性过氧化物酶可能参与了木质素合成。那么钙是否通过调控此类特定过氧化物酶的转移或活性，抑制了木质素的聚合，实现了对细胞壁中木质素沉积的调控，进而影响梨果实石细胞的形成？本研究拟以石细胞这一影响梨果品质的特殊性状为研究对象，基于我们建立的梨基因组数据库，通过激光共聚焦显微镜结合荧光探针技术、膜片钳技术、分子荧光互补技术等深入剖析钙、过氧化物酶协同调控木质素合成的机制。不仅有助于拓展钙在农业生产中的应用，而且也有助于研发改善梨果实品质的技术措施。

石细胞影响梨的果实品质，我们发现钙可以一定程度抑制石细胞的生成。前人研究证明钙信使系统参与了植物生理生化过程及酶活性的调控，本课题组明确了各浓度梯度外源钙在大田环境和愈伤系统中对梨果实木质素代谢的差异调控。0.25%和0.5%氯化钙浓度对降低木质素含量有着较好的效果，0.5%氯化钙处理对石细胞的形成抑制效果最佳。另外，在愈伤组织中0.05%和0.5%氯化钙处理使木质素含量减少。我们通过二代测序对硝酸钙处理的梨果肉愈伤组织进行分析，对差异通路的富集以及对差异基因的荧光定量验证，发现大量钙传导基因随外源硝酸钙处理高水平表达，通过对差异倍数的筛选我们锚定了CML作为外源钙调控木质素合成的枢纽，其通过对NAC，WRKY和MYB等一系列转录因子的影响对木质素通路的关键合成酶进行调控。在研究中，梨PRX在拟南芥中的侵染表明过氧化物酶的过表达可以显著提高拟南芥茎秆中的木质素含量，并且梨CML3在幼果果实中的瞬时过量表达导致果肉中木质素含量显著上升，且相关转录因子与合成酶的表达水平发生显著提升。这些结果表明，外源钙通过促进钙信号传导，提升了钙调蛋白激酶CAM/CML的表达水平，从而调控了作用于木质素通路的转录因子，进而影响梨果肉木质素的合成与石细胞的形成。本研究着眼于外源钙对梨果肉石细胞含量的影响机理，其不仅有助于拓展钙在农业生产中的应用，也为其改善梨果实品质奠定了理论基础。