库尔勒香梨石细胞发育与木质素合成关系的生理和分子机制研究

Korla fragrant pear (Pyrus brestschneideri Rehd) is one of the Xinjiang characteristic fruits. At present, increasing stone cell content is one of the most important factors which results in variety degeneration and quality decrease. It has reported that stone cell formation is closely related to synthesis, transportation and deposition of lignin, but its functional mechanism is still unclear. In this paper, we will use “Korla fragrant pear” and Xinjiang local variety “Kuche Amute” （P•sinkiangensis Yü）as plant materials，regarding changes in lignin metabolism through fruit development as the breakthrough point, firstly try to clarify, from the perspective of phytotomy, stone cell formation patterns and deposition process of lignin by using microscopy techniques. Then try to verify the lignin components, accumulation pattern, related enzyme activity, and select the key steps and key enzymes that regulate lignin synthesis. Then on this basis, key enzymatic genes involved in lignin biosynthesis will be cloned by RACE techniques. Bioinformatics of these genes will be analyzed, and the expression patterns of these genes in the process of fruit development will be determined. Thereby further reveal the physiological and molecular regulatory mechanism of the relationship between stone cell formation and lignin synthesis in “Korla Fragrant Pear”. Research results will have an important practical value for improving fruit quality by molecular assisted breeding.

库尔勒香梨(Pyrus brestschneideri Rehd)是新疆特色果树之一。目前香梨果肉中石细胞含量增多是导致品种退化品质降低的重要因素。已有的研究表明石细胞的形成与木质素的合成、转运和沉积密切相关，但其作用机制仍不清楚。本研究以“库尔勒香梨”和“库车阿木特”（P•sinkiangensis Yü）为材料，以果实发育过程中木质素代谢的变化为切入点，首先利用显微技术从解剖学的角度明确香梨果实发育中木质素的沉积过程和石细胞的形成规律，再探明香梨果实中木质素单体组成、合成积累规律及相关酶活性的变化，并筛选出调控木质素合成的关键步骤和关键酶，接着采用RACE技术克隆出关键酶基因并分析该基因的结构，最后研究该基因在香梨果实发育过程中的时空表达模式，进一步从分子生物学的角度揭示库尔勒香梨石细胞形成与木质素合成关系的分子机制。本研究对今后通过分子辅助育种改善果实品质有重要的应用价值。

‘库尔勒香梨’(Pyrus brestschneideri Rehd)是新疆特色果树之一。目前‘库尔勒香梨’果肉中石细胞含量增多是导致出现粗皮果、青头果等生理病害的出现，严重影响风味和品质。已有的研究表明石细胞的形成与木质素的合成、转运和沉积密切相关，但其作用机制仍不清楚。本研究以‘库尔勒香梨’为试料，以果实中石细胞分化为切入点，① 通过组织染色和含量测定确定‘库尔勒香梨’果实中石细胞的变化规律；② 利用靶向代谢组学技术通过定量定性检测木质素合成途径的中间酚酸类物质，确定‘库尔勒香梨’果实中木质素类型及合成途径。③ 研究了木质素合成特意途经的关键基因的表达规律及其编码的酶蛋白活性的变化规律。④ 对石细胞成分分析发现，石细胞中纤维素含量最高、约占50%以上，一般还有半纤维素（23%）、木质素（19.7%）和多糖（3%）等成分。⑤ 利用TUNEL、DAPI 和Hoechst染色技术对不同发育期香梨果树进行细胞凋亡检测发现，果实发育早期阶段（花后10-40 d）是‘库尔勒香梨’果肉细胞发生凋亡的关键时期，与石细胞的形成时期基本重叠。⑥ 通过对香梨果实石细胞分化关键时期（分别为花后20、50、80天）进行转录组和蛋白组测序，重点筛选细胞分化（次生壁发育）相关通路及生物过程。关注的通路和生物过程包括木质素、次生壁纤维素和半纤维素合成通路，S-腺苷甲硫氨酸代谢过程、质外体活性氧产生过程以及细胞凋亡先关生物过程，总筛选243个次生壁发育相关差异基因及62个与之关联的差异蛋白。 另外，筛选调控石细胞分化的关键转录因子（9个NACs和14个MYBs）。为后期进一步深入研究石细胞分化机理奠定良好的基础。项目期，共计发表文章6篇，其中SCI文章4篇，CSCD文章2篇；获得软著作权1项；培养研究生1名。