荔枝细胞壁转化酶基因家族与焦核发生的相关性研究

Stenospermocarpy is a good trait in lychee quality, however, there are few commercial varieties with this trait, and physiological fruit drop is serious. At present, the physiological, biochemical and molecular biological mechanism regulating stenospermocarpy formation is still not clear. Our pervious study showed a compelling correlation between seed size and the activity of cell wall invertase (CWIN) in seed pediel, higher CWIN activity in large seed varieties, while lower CWIN activity in small seed varieties. Based on the above research on physiology, we will study the correlation of CWIN gene with stenospermocarpy formation at molecular biology level in this project. We will verify the possibility of the litchi seed size can be influenced by regulating CWIN activity through virus induced gene silencing (VIGS). Finally, we will find the reason for lower CWIN activity in small seed varieties by comparing coding region, promoter activity, and the repressor gene. All these studies will shed light on the molecular mechanisms of stenospermocarpy formation and provide a theoretical basis for the selection and breeding of litchi varieties with small seeds.

“焦核”是荔枝品质的一个优良性状，然而，焦核品种在商品化荔枝品种中仅占少数，且性状不稳定，生理落果现象严重。目前，荔枝焦核形成的生理生化和分子生物机制还不清楚。我们前期研究发现种柄中细胞壁转化酶（CWIN）活性与荔枝焦核发生密切相关，大核品种的CWIN活性较高，而焦核品种的CWIN活性较低。本项目将在以上生理学研究基础上，从分子生物学水平上对CWIN基因与荔枝焦核发生的相关性进行深入研究，通过病毒诱导的基因沉默（VIGS）验证是否可以通过调控CWIN活性影响荔枝种子大小，并从编码区、启动子和抑制子水平上寻找导致焦核品种CWIN活性较低的分子生物学基础，探讨荔枝焦核发生的分子生物学机制，为选育或培育焦核荔枝品种提供理论依据。

“焦核”是荔枝品质的一个优良性状，但荔枝焦核形成的机制仍不清楚。在前期研究中，我们发现种柄中细胞壁转化酶（CWIN）活性与荔枝焦核发生密切相关，本项目在此基础上从分子生物学水平上对CWIN基因与荔枝焦核发生的相关性进行深入研究，主要研究结果如下：（1）克隆得到荔枝5个细胞壁转化酶基因LcCWIN1-5和1个抑制子基因LcCIF1，表达分析表明LcCWIN2和LcCWIN5基因可能与荔枝种子发育密切相关，而LcCIF1基因的表达量与种柄中的细胞壁转化酶活性呈显著的负相关，对荔枝种子发育有一定的抑制作用；（2）利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术沉默LcCWIN2和LcCWIN5基因，可显著降低大核荔枝品种的种子大小，此外，LcCWIN2和LcCWIN5在荔枝种胚发育的不同阶段起作用，LcCWIN5在荔枝种胚发育的早期（花后28天前）起作用，而LcCWIN2在荔枝种胚发育的后期（花后28天后）起作用；（3）利用VIGS技术沉默LcCIF1基因可使荔枝种子变大，但未达到显著水平，LcCIF1基因沉默处理后‘糯米糍’的坐果率明显提高；（4）LcCIF1在焦核品种‘糯米糍’种柄发育早期中的表达量较高，而‘黑叶’和‘妃子笑’中表达量较低且无明显差异，初步推测‘糯米糍’种柄中CWIN活性低可能是由于LcCIF1基因的高表达造成的；（5）克隆荔枝糖代谢关键酶7个基因家族34个基因，并对其在荔枝不同品种果实糖分积累类型中的表达进行了分析，初步推测LcVIN1、LcINH1、LcINH2和LcSPS1可能是造成不同品种荔枝糖分积累差异的关键基因。以上部分结果发表SCI论文2篇，其中1篇（Horticulture research）属于农林1区，申请发明专利2个，培养硕士研究生2名，指导本科毕业论文1篇，另有3篇论文在整理中。此外，本项目还总结了蔗糖转化酶在高等植物生长发育及胁迫响应中的功能研究进展，发表在《热带亚热带植物学报》（2016，24：352-358）上，并对该领域今后的研究前景进行了展望。因此，本项目从分子水平证实了荔枝LcCWIN2和LcCWIN5基因在种胚发育过程中的关键作用，并初步阐明了荔枝焦核品种CWIN活性低是由于LcCIF1基因的高表达导致的，为探讨荔枝焦核发生的分子生物学机制奠定了坚实的基础，为选育或培育焦核荔枝品种提供理论依据。