近日，植物學(xué)知名期刊Plant Biotechnology Journal（中科院一區(qū)，2023年IF：13.8）發(fā)表了園藝學(xué)院朱孝揚(yáng)/李雪萍課題組題為“Calmodulin-like protein CML15 interacts with PP2C46/65 to regulate papaya fruit ripening via integrating calcium, ABA and ethylene signals”的研究論文，首次揭示了鈣信號調(diào)控番木瓜果實(shí)成熟的分子機(jī)制。
番木瓜（Carica papaya L.）是熱帶和亞熱帶地區(qū)一種深受消費(fèi)者喜愛的水果，是僅次于香蕉、芒果和菠蘿的第四大熱帶水果作物。其作為一種典型的呼吸躍變型果實(shí)，隨著呼吸和乙烯高峰的出現(xiàn)，果實(shí)迅速轉(zhuǎn)黃軟化，導(dǎo)致貯藏期大大縮短，果實(shí)品質(zhì)劣變迅速，這成為限制番木瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原因之一。鈣離子作為一種多功能的信號離子，參與了植物和園藝作物的生長發(fā)育以及脅迫應(yīng)答等各種過程。作為一種安全無毒的保鮮劑，外源鈣處理可以有效地延緩果蔬的成熟和衰老，保持果蔬的品質(zhì)，從而有效地延長果蔬的保質(zhì)期。在番木瓜中，采后的鈣處理也可以有效地延緩果實(shí)的成熟和衰老，保持果實(shí)的品質(zhì)。然而，鈣調(diào)控果實(shí)成熟的分子機(jī)制尚不清楚。乙烯和脫落酸（ABA）在果實(shí)成熟和衰老中起著至關(guān)重要的作用。乙烯是果實(shí)成熟過程中研究最多的激素之一，同時(shí)ABA也以乙烯依賴或非依賴的方式，或通過調(diào)節(jié)ABA相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)節(jié)果實(shí)的發(fā)育、著色、軟化和品質(zhì)形成，同樣是調(diào)節(jié)非躍變和躍變型果實(shí)發(fā)育和衰老的關(guān)鍵激素。雖然鈣、乙烯和ABA都在在果實(shí)成熟和植物應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但較少有研究報(bào)道它們在果實(shí)成熟調(diào)控中的相互作用及調(diào)控機(jī)制。
該課題組在之前的研究中發(fā)現(xiàn)鈣處理可以延緩番木瓜果實(shí)成熟，同時(shí)從番木瓜果實(shí)中鑒定了一組與成熟相關(guān)的鈣調(diào)蛋白類蛋白CpCMLs，其中CpCML15在所有CpCMLs /CpCaMs中表達(dá)水平最高，并受到乙烯的嚴(yán)格調(diào)控。該研究進(jìn)一步證實(shí)CpCML15參與了果實(shí)成熟，其與鈣離子結(jié)合，并且與ABA信號的候選元件CpPP2C46/65相互作用并受到鈣離子的調(diào)控，同時(shí)蛋白互作進(jìn)一步抑制CpPP2C46/65的活性（圖1）。CpPP2C46/65的表達(dá)也與果實(shí)成熟密切相關(guān)，且受乙烯調(diào)控。外源ABA處理促進(jìn)了番木瓜果實(shí)成熟和CpCML15、CpPP2C46/65和成熟相關(guān)基因的表達(dá)。瞬時(shí)過表達(dá)CpCML15和CpPP2C46/65促進(jìn)番木瓜果實(shí)成熟和乙烯信號及成熟相關(guān)基因的表達(dá)，而瞬時(shí)沉默抑制了CpCML15和CpPP2C46/65的表達(dá)，延遲了果實(shí)的轉(zhuǎn)黃和軟化，并抑制了乙烯信號傳導(dǎo)和軟化相關(guān)基因的表達(dá)。在番茄果實(shí)中過表達(dá)CpCML15促進(jìn)了乙烯合成和增強(qiáng)成熟相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)果實(shí)軟化和成熟（圖2）。此外，CpPP2C46和CpPP2C65分別與ABA和乙烯信號通路中與果實(shí)成熟密切相關(guān)的兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子CpABI5和CpERF003-like相互作用。該研究表明CpCML15和CpPP2C46/65正向調(diào)控果實(shí)成熟，并且它們的相互作用通過CpCML15 - CpPP2C46/65-CpABI5 /CpERF003-like通路介導(dǎo)了果實(shí)成熟過程中鈣、ABA和乙烯信號的信號交互作用（圖3）。研究結(jié)果為番木瓜果實(shí)采后成熟調(diào)控技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用提供了理論研究基礎(chǔ)。
圖1 CpCML15與CpPP2C46/65以鈣依賴性方式互作，同時(shí)蛋白互作影響CpPP2C46/65的磷酸酶活性
圖2 瞬時(shí)超表達(dá)和瞬時(shí)沉默CpCML15影響了番木瓜果實(shí)成熟
圖3 CpCML15 - CpPP2C46/65 - CpABI5/CpERF003-like介導(dǎo)鈣、ABA和乙烯信號互作調(diào)控番木瓜果實(shí)成熟模式圖
朱孝揚(yáng)/李雪萍課題組一直從事果蔬果實(shí)成熟調(diào)控機(jī)制研究及保鮮技術(shù)研發(fā)，近年來在Plant Physiology、Journal of Integrative Plant Biology、Postharvest Biology and Technology等植物學(xué)和食品領(lǐng)域權(quán)威期刊發(fā)表論文20多篇，在香蕉、番木瓜等熱帶亞熱帶果蔬成熟機(jī)制調(diào)控和保鮮技術(shù)研發(fā)取得了重要進(jìn)展。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院在讀博士生朱秋楠和已畢業(yè)碩士譚琴琴為該論文的共同第一作者，園藝學(xué)院朱孝揚(yáng)副研究員為通訊作者，園藝學(xué)院李雪萍教授和陳維信教授，以及法國圖盧茲第三大學(xué)Jean-Philippe Gaulaud教授參與了該研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣州市科技專項(xiàng)計(jì)劃和珠江人才計(jì)劃的資助。
相關(guān)論文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14297
文圖/園藝學(xué)院 朱孝揚(yáng)
