ABC转运蛋白介导梅花乙酸苯甲酯挥发的分子机制研究

Armeniaca mume is the only species of Armeniaca known to produce a strong floral fragrance, which can effectively emit benzyl acetate into the atmosphere after flowering, but the volatilization mechanism of the volatile compounds is still not clear. Although ABCGs genes is involved in the membrane transportation of various secondary metabolites, the protein that can selectively transport benzenoids has not been elucidated yet. Our previous study found that there was a temporal and spatial difference in the volatility of Armeniaca mume, and up-regulated expression ABCGs were mined by transcriptome analysis. We predict there are specific ABCGs whose can selectively recognize benzyl acetate substrate. In order to determine the cellular base of volatile compounds transport in Armeniaca mume, in this study we will adopt anatomical analysis of different volatile parts in Armeniaca mume flower and combination of the changes in volatilization rate of each part. The function of ABCG genes will be identified by means of transient silencing technology system and Nicotiana tabacum Bright Yellow 2 (BY-2) suspension cells. The ABCGs gene protein properties and substrate selectivity will be further studied in order to prove our hypothesis through multiple levels. This study can further reveal mechanism of specific floral fragrance in Armeniaca mume and provide base for the breeding of Armeniaca species. The results will also elucidate the membrane transport mechanism of benzenoids, and benefit for the use of plant volatile organic compounds.

梅花具有独特的花香特征，开花时能大量的将乙酸苯甲酯挥发到空气中，目前梅花花香成分的高效挥发机制仍不明晰。ABC转运蛋白参与多种次生代谢物的跨膜转运，但选择性识别苯环类挥发物的转运蛋白仍未得到阐明。本课题组前期研究发现梅花香气挥发存在时空差异，并通过转录组分析获得了上调表达的ABCGs亚家族基因，我们推测在梅花中存在能够特异选择乙酸苯甲酯的ABC转运蛋白。本申请项目拟通过对梅花不同挥发部位的组织结构观察，结合挥发率的相对差异，明确挥发成分转运的细胞基础，在此基础上以ABCGs基因为研究对象，构建梅花瞬时沉默转化体系及转基因烟草悬浮细胞体系验证基因功能，并进一步深入解析梅花ABCGs蛋白特性及底物选择性，以期从多个层次证明我们的假设。本研究的实施，可以进一步揭示梅花特异花香的成因，为北方梅花近缘种香花育种指明方向，其结果也将阐明苯环类挥发物的跨膜转运机制，为植物挥发物质的深入利用提供参考。

梅花具有独特的花香特征，开花时能大量的将乙酸苯甲酯挥发到空气中，相对于近缘树种，梅花具有将芳香成分高效挥发的独特机制。ABC转运蛋白参与多种次生代谢物的跨膜转运，推测梅花中存在选择性识别苯环类挥发物的ABC转运蛋白。项目主要研究了梅花挥发部位的组织结构特征，梅花芳香成分的时空挥发规律，梅花ABCGs的鉴定及表达分析，梅花ABCGs基因功能鉴定等内容。通过花朵表皮结构观察，发现梅花花朵中不存在特异性挥发腺体，芳香成分通过表皮细胞直接进入空气。梅花花瓣、花丝是乙酸苯甲酯的主要挥发器官，花瓣上表皮与下表皮具有相似的组织结构。在梅花花朵形成过程中，从蕾期花瓣可见，梅花即具有挥发芳香成分的能力。研究发现各芳香成分内源含量远大于挥发量，苯甲醛是梅花与近缘种共有的芳香成分，其内源含量也最高。在梅花中共鉴定到130个ABC基因，其中PmABCGs亚家族成员最多为55个，通过梅花不同部位、不同开花时期以及梅花近缘种的转录组分析筛选了与苯环类芳香成分挥发关系密切的ABCGs候选基因。研究成功将酯类物质导入烟草叶片细胞内部，确定了不影响细胞正常生理活性的外源酯类物质浓度，构建了基于不同芳香成分的跨膜转运异源验证体系。研究构建了PmABCG2、PmABCG9、PmABCG11、PmABCG16等基因的异源表达载体、瞬时沉默载体、亚细胞定位载体，利用本氏烟草确定各基因都可以在细胞膜上表达。将各过表达载体转入烟草获得转基因植株，选择乙酸苯甲酯、乙酸叶醇酯、苯甲醇等作为底物，通过孵育转基因烟草植株确定PmABCG9能够有效转运细胞中的乙酸苯甲酯进入空气，表现出对乙酸苯甲酯的底物选择特异性。研究阐明了梅花芳香成分时空挥发模式，揭示了芳香成分挥发的生物学意义，为植物芳香机理探索、植物间气体信号传递、植物与昆虫信息交互、芳香性状人为调控等方面的研究提供了思路。本研究成功建立转运蛋白与植物芳香特征的联系，研究结果丰富了转运蛋白识别底物的类型，为进一步阐明转运蛋白底物识别机制，厘清转运蛋白进化脉络提供了必要的参考。