基于乙烯生物合成及信号转导研究嫁接延迟甜瓜果实成熟的分子机制

The grafting technology for an increase in melon high yield and disease resistance has been widely used. Previous works show that grafting significantly reduces the melon fruit ethylene products, ACS and ACO activities, and their peaks coming time are delayed more than 3 days comparing with the own-root melon, it causes the lag phenomenon of melon fruit ripening. Melon is a climacteric fruit, and so the fruit ripening being delayed by grafting is closely related to ethylene biosynthesis and signal transduction. In view of this, on the one hand, we will study the differences of key enzyme genes, ethylene receptors and signal transduction components genes expression pattern using RT-PCR technology according to the ethylene biosynthesis and signal transduction pathways, in order to find out the key step that grafting influence the ethylene biosynthesis and signal transduction. On the other hand, using High-Throughput Sequencing technology and qRT-PCR technology, we will identify the grafting induced target miRNAs that rely on ethylene pathways involved in melon fruit ripening, and analyze the target miRNAs expression pattern. We suppose that we will identify the key factors and the molecular mechanism of delaying melon fruit ripening by grafting.

嫁接作为甜瓜高产、抗病栽培的关键技术已被广泛应用。前期研究工作表明，嫁接明显降低了甜瓜果实乙烯释放量、ACS和ACO活性，且其峰值来临时间均较自根甜瓜延迟了3天以上，产生果实成熟延迟现象。甜瓜是典型的呼吸跃变型果实。嫁接甜瓜果实成熟的延迟势必与果实乙烯生物合成及信号转导密切相关。鉴于此，一方面，从乙烯生物合成和信号转导途径入手，利用RT-PCR技术，研究其途径上关键酶基因及乙烯受体基因和乙烯受体下游信号转导元件基因的表达模式差异，确定嫁接影响乙烯合成及其信号转导的关键步骤。另一方面，利用高通量测序技术和qRT-PCR技术，鉴定出嫁接诱导的依赖乙烯途径参与甜瓜果实成熟的目的miRNA，分析目的miRNA表达模式，进而探析嫁接延迟甜瓜果实成熟的关键因子及其分子机制。

嫁接作为甜瓜高产、抗病栽培的关键技术已被广泛应用。前期研究工作中发现，嫁接延迟了甜瓜果实成熟。本项目以南瓜品种“圣砧一号”为砧木进行嫁接处理，自根甜瓜为对照，分析嫁接甜瓜果实成熟过程中乙烯释放量、合成关键酶基因、乙烯受体基因和乙烯受体下游信号转导相关元件基因的差异表达，并利用高通量测序技术和RT-PCR等技术，分析嫁接与自根甜瓜果实成熟过程中果实差异表达miRNA和mRNA，进而探析嫁接延迟甜瓜果实成熟的关键因子及其分子机制。试验结果表明：嫁接显著抑制了乙烯生物合成关键基因Cm-ACS1、Cm-ACO1 mRNA表达。通过对乙烯受体基因表达分析发现，嫁接显著抑制了中果肉和脐果肉Cm-ESR1、Cm-ETR1、Cm-ETR2 mRNA表达。通过对乙烯受体下游信号转导相关元件基因表达分析发现，花后44-47d，嫁接也显著抑制甜瓜中果肉和脐果肉Cm-EIN2、Cm-EIL1、Cm-EIL3、Cm-ERF2 mRNA的表达。利用高通量测序技术，筛选出差异表达基因618个，其中嫁接上调表达291个，下调表达327个。其中，在plant hormone signal transduction pathway中共发现8个差异表达基因，嫁接上调表达1个，下调表达7个，推测其与果实成熟及品质密切相关。筛选出差异表达的miRNA 8个，其中嫁接上调表达4个，下调表达4个。经KO富集分析发现，差异miRNA的靶基因有3个在plant hormone signal transduction pathway上，这可能与其果实成熟密切相关。可见，嫁接抑制乙烯合成关键酶基因Cm-ACS1、Cm-ACO1的表达是导致乙烯释放量降低、释放高峰延迟的重要原因，而嫁接对乙烯受体基因Cm-ESR1、Cm-ETR1、Cm-ETR2及下游信号转导相关元件基因Cm-EIN2、Cm-EIL1、Cm-EIL3、Cm-ERF2 mRNA表达的抑制作用可能是导致其果实成熟延迟的重要因素。同时，在plant hormone signal transduction pathway中共筛选出的8个差异表达基因和富集在此途径上的差异miRNA的靶基因（3个）可能与其果实成熟密切相关，但有待于进一步试验和验证，从而更加清晰构建出嫁接延迟甜瓜果实成熟的分子网络。