基于脂肪酸途径的梨果实酯类香气合成调控分子机制研究

Aroma is one of components and influence factors for fruit flavor quality and economic value in pear. To date, most of cultivars in China showed light aroma trait, which can not compete with Eropean pear in the market.In the previous study, we clarified that the volatile esters with 'fruity fragrance' is the most important aroma component of pear fruit, and found fatty acid metabolism play important role in aroma formation by feeding on fatty acids experiments. However, the molecular and regulation mechanism of volatile esters biosynthesis are still unclear. In this study, genes and proteins expression profile were screened by RNA-Seq and iTRAQ technique on 'Dangshansuli' fruits feeded or non-feeded with linoleic acid (LA),then through association analysis of differential expression genes and proteins, combine with genes annotation, expression model and related metabolism pathway analysis, we can identify the important pathway and candidate genes which control the volatile esters synthesis in pear fruit. The transformation and protein interaction will further help to reveal the target gene function in molecular regulation of fruit aroma. The results will not only help to elucidate the key factors which control the aroma formation of pear fruit and complete the theory of fruit development and regulation, but also help to promote the process of molecular breeding in fragrant pear and provide necessary gene resources.

香气是构成和影响梨果实风味品质以及经济价值的重要因素之一。针对目前我国梨大多数品种香味普遍偏淡，无法与西洋梨竞争的产业实际问题，申请人在前期研究中明确了具有"果香味"的酯类物质是梨最重要的香气组分，并利用外源饲喂底物的鉴定方法，发现脂肪酸代谢对于香气形成的重要性，但是对其生物合成的内在分子机制尚不清楚。在此基础上，本项目拟通过对亚油酸（LA）离体饲喂/未饲喂的两组'砀山酥梨'果实进行RNA-Seq数字表达谱和iTRAQ蛋白表达谱比较，利用转录组及蛋白质组差异关联分析，结合基因注释、表达模式和相关代谢通路解析，筛选参与梨果实酯类香气合成的重要代谢途径和候选基因，并通过模式植物转基因和蛋白互作等功能验证，明确目的基因对梨果实酯类香气形成的分子调控机制。本研究不仅有利于阐明控制梨果实香气形成的关键因子，完善梨果实品质发育和调控的科学理论，也将为推动梨果实香气品质的定向遗传改良提供基因资源。

香气是重要的果实品质指标，东方梨果实香味淡是我国梨产业的重要问题之一。本研究以南果梨和西洋梨为试材，研究了亚麻酸等果实香气合成底物对香气合成的影响，分析了‘南果梨’代谢物、代谢途径和表达基因差异，筛选并验证梨果实酯类香气合成的关键基因，从‘南果梨’中克隆了PuADH1基因并进行转基因功能验证。主要研究结果如下：.研究了采前外源钙处理对‘南果梨’果实香气组成和含量的影响和12个不同西洋梨品种的香气组成和含量。钙处理‘南果梨’果实和对照香气物质种类差异不显著，但显著提高了含量，这主要通过脂肪酸代谢途径实现。在西洋梨品种中，酯类是最重要的成分，数量多，含量最高，主要酯类是乙酸酯类和支链酯类，同时醇类也较为重要。对12个品种作特征香型分析，果香，绿草香，酯香是三个主要的香型，同时可将这12个品种分为果香型和酯香型。采前钙处理使‘南果梨’果实表皮蜡质层结构、果点结构、细胞排列发生了明显变化。钙处理使表皮蜡质含量略有降低。从果实中分离鉴定出可溶性糖4种，有机酸6种、氨基酸15种，脂肪酸32种。显著提高了果实亚油酸和亚麻酸的含量。显著提高了果实ADH、PDC和LOX的活性。钙处理是通过提高代谢底物的含量及酶的活性提高了‘南果梨’果实香气。‘南果梨’果实中共分离鉴定出7种键合态香气，钙处理显著降低了其总含量。钙处理通过提高β-葡萄糖苷酶的活性，促进了键合态香气释放，提高了‘南果梨’果实香气。对6个样本进行表达谱测序分析，有10,776个基因差异表达。脂肪酸代谢通路基因FAD、ADH、PDC、LOX、lipase及一些转录因子存在差异表达，且与果实香气合成存在较高相关性。在此基础上筛出了‘南果梨’香气合成、释放相关候选基因。本研究从‘南果梨’果实中克隆到ADH基因。对其核苷酸及编码的氨基酸序列进行理化性质、结构域分析，并建立系统进化树。转化番茄进行功能验证发现转基因番茄植株形态表型没有明显改变，但叶片和果实挥发性香气物质总量、醇类和醛类含量显著高于对照。