梨GST基因调控果实虎皮病发病的分子机制

Superficial scald, as a physiological disorder of pear fruit during storage and transportation, negatively affects their appearance quality, resulting in huge economic loss. Glutathione-S-transferase (GST), an antioxidant enzyme, is supposed to play an important role in the development of superficial scald through the participation in reactive oxygen species (ROS) metabolism, which is still unverified by experiment. In this study, ‘Dangshansuli’ pear is used as material. By comparing protein profiles in pear fruits with different grade of superficial scald using iTRAQ technology, a key GST gene which is closely relevant to superficial scald is selected after combining the results of bioinformatic analysis, Western blotting as well as intervention trail. After genetic transformation of tomato by the aid of over-expression vector pCAMBIA1301, the role of the key GST gene in ROS metabolism is further characterized by comparing the phenotypic difference between wildtype and transgenic fruits. Finally, the impact of overexpression of the key GST gene in pear pericarp on the development of superficial scald is studied with the aid of Agrobacterium-mediated vacuum infiltration to verify the relationship between the key GST gene and superficial scald. Our study is helpful to discover a key GST gene relevant to superficial scald and clarified its role, which will be benefit for providing the evidence for the participation of GST in superficial scald development and exploring superficial scald-resistant germplasm resource via providing the theoretical guidance.

虎皮病是梨贮运过程中极易发生的一种严重的生理病害，显著影响了果实的外观品质，造成巨大的经济损失。研究发现，抗氧化酶谷胱苷肽-S-转移酶（GST）可能通过影响活性氧（ROS）代谢参与虎皮病的发病过程，但尚缺乏实验验证。本项目以‘砀山酥梨’为试材，利用iTRAQ技术比较不同病情等级梨果皮蛋白谱的差异，结合生物信息学分析、蛋白印迹和干预性试验，筛选出与发病过程密切相关的关键GST基因；将其构建到超表达载体pCAMBIA1301上转化番茄，通过比较野生型和转基因后代果实在低温胁迫下的表型差异，探明其在ROS代谢中的作用；最后，运用农杆菌真空渗透法转化梨果，研究过表达关键GST基因对发病过程的影响，进一步验证其与虎皮病之间的关系。通过本项目的实施，将获得参与梨虎皮病发病的关键GST基因，探明其作用机制，为GST参与发病过程提供证据，同时也为今后培育具有抗虎皮病的梨优质种质资源提供理论指导。

梨（Pyrus spp.）是百果之宗。我国是世界上最大的梨生产国，栽培面积和产量均居世界首位(FAOSTAT, http://faostat.fao.org/)。虎皮病（Superficial scald）又称黑皮病、褐烫病，是梨低温贮运过程中容易发生的一种严重的生理病害。这种生理病害严重影响了梨果的外观品质，降低其商品价值，损害了果农的利益。前人研究发现，GST可能通过影响ROS代谢参与虎皮病的发病过程，但尚缺乏实验验证。因此，申请人首先对梨GST基因家族开展生物信息学分析发现，梨中存在60 个GST基因，这些基因在染色体上呈不均匀分布，其中，17号染色体数目最多（12 个），5号染色体次之（11 个）。大部分编码蛋白含有220 个左右的氨基酸，分子量24-25 kDA、等电点5-7，位于细胞质、叶绿体、线粒体和细胞膜中。梨GST基因家族成员可分为7 类，分别为GSTU（37）、GSTF（8）、DHAR（6）、EF1Bγ（3）、GSTZ（3）、TCHQD（2）和GSTT（1）；同一亚家族成员基因结构基本一致。对编码蛋白的结构进行分析发现，所有蛋白中均含有α-螺旋、β-转角等二级结构单元。在这些蛋白序列中，位于N端的模体1为所有蛋白所共有，可能是GST家族成员的保守序列，为其行使基本功能提供保障；其他模体分别为各亚家族成员所特有，可能与其行使特定的生物学功能有关。在梨果发育过程中共检测到46 个基因的表达，包括24 个GSTU亚家族成员，7 个GSTF亚家族成员以及DHAR、EF1Bγ、GSTZ、TCHQD和GSTT亚家族全部成员，不同基因在果实发育过程中表达变化趋势不尽相同，这可能与它们的生物学功能有关。进一步对冷藏过程中梨GST家族成员进行分析发现，不同基因表达趋势不尽相同；结合生理生化指标发现，PbrDHAR1, PbrDHAR2和PbrDHAR4最可能参与发病过程。相关研究成果发表在Plant GrowthRegulation上。进一步的研究发现，冷藏过程中抗坏血酸-谷胱甘肽循环、脯氨酸、糖酸代谢与虎皮病发病过程密切相关。因此，我们对代谢相关的基因进行了挖掘和鉴定，相关研究成果发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry等杂志上。