乙烯抑制光信号诱导的红梨花青苷合成过程的调控机理研究

It has been well known that ethylene is involved in the regulation of anthocyanin accumulation in various plants, but the regulatory pathways have not been well described even in the model plant Arabidopsis. Opposite to the observation that ethylene enhanced the anthocyanin biosynthesis in apple fruit, ethylene inhibited the anthocyanin accumulation in red pear in our study. Our preliminary results showed that ethylene inhibited the light-induced MYB10 transcription through an unknown pathway. To clarify the molecular mechanism of ethylene-repressing anthocyanin biosynthesis in the red pear, we focus the important regulatory module on light signal transduction pathway and analyze how these modules are regulated by ethylene pathways. More concretely, 1) the distribution of COP1 between nucleus and cytoplasm and degradation of HY5 after ethylene treatment will be analyzed to clarify the regulation on COP1-HY5 module by ethylene and 2) the inhibitory regulation of HY5-MYB10 pathway by a down-stream transcription factor which response to ethylene signal will be clarified. Our study will enrich the molecular theory about the regulation of anthocyanin biosynthesis and provide the basis for the breeding and practice application to improve the fruit coloration.

大量研究表明乙烯能够调控花青苷的合成，但其调控机理仍未明确。与在苹果果皮中观察到的乙烯促进花青苷合成的现象相反，乙烯抑制光诱导的红梨果皮着色过程。初步研究表明乙烯通过某种途径抑制光信号对MYB10的转录激活过程。本研究拟以‘早酥红’梨为材料，从光信号转导过程的关键节点入手，探讨乙烯对光信号通路的调控模式：1）分析乙烯处理后COP1的核质定位变化与HY5的泛素化降解过程，并进一步分析这些变化受到乙烯的调控机理；2）通过转录组测序结合共表达网络分析筛选响应乙烯的转录因子，并分析蛋白互作与转录调控，研究其参与调控HY5-MYB10转录激活过程的模式与机理。综合上述结果分析红梨果皮中存在的乙烯调控光信号通路的作用模式，并最终阐明红梨中乙烯抑制花青苷积累的分子机理。本项目的开展，不仅可以丰富对植物花青苷调控的理论认识，而且能为定向改良梨果皮色泽的分子育种奠定理论基础。

在梨中，光是果实花青苷合成的必要条件，而乙烯则抑制了光诱导的果实花青苷的合成，但其作用机制尚未得到阐明。本项目针对这一现象围绕光信号与乙烯信号调控梨果皮花青苷积累的过程开展研究，主要结果如下：.1..系统性揭示了光信号调控红梨果皮花青苷合成的分子网络。发现多个BBX蛋白与光信号通路中的核心转录因子HY5互作，分别正调控或负调控梨果皮花青苷的积累，且不同的BBX蛋白之间存在竞争关系，可精细调控梨果皮花青苷的积累；同时，发现一个bHLH家族IIIb亚族的转录因子PpbHLH64参与光诱导的梨果皮花青苷合成过程。.2..发现了茉莉酸与乙烯协同调控类黄酮合成分支方向。乙烯抑制红梨果皮红色的形成，而茉莉素在不同处理组合条件下可使果皮呈现红、黄等不同颜色。类黄酮靶向代谢组学研究表明，在较高浓度乙烯存在的条件下，茉莉素促进黄酮/异黄酮的合成，而在1-MCP处理下，茉莉素促进花青苷的合成，说明乙烯调控茉莉素诱导的类黄酮合成过程的分支方向。.3..阐明了乙烯抑制梨果皮花青苷合成的分子机制。乙烯通过一系列ERF蛋白调控花青苷的合成，且不同的ERF蛋白对花青苷调控的方式存在多样性。其中PpERF105可以激活抑制型MYB转录因子PpMYB140，PpMYB140可与PpbHLH3互作形成MBW复合体，抑制花青苷合成基因的转录，从而抑制花青苷的积累。.本项目共发表SCI论文9篇，授权发明专利1项。系统性解析了光诱导花青苷积累的分子网络，并在国际上首次发现了乙烯对果实着色的抑制效果，说明了果实成熟过程中果皮花青苷调控途径在不同种类果树中进化的多样性，填补了乙烯抑制果实花青苷合成的理论空白。利用乙烯抑制剂处理果实可以在促进梨果实着色的同时提高贮藏性，延长货架期。该技术的推广应用有望提高红梨在我国南方梨产区的栽培面积，提高品质，推动我国红梨产业的发展。