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Plant Cell | 一个调控草莓成熟的NAC转录因子

信息来源:The Plant Cell   发布时间: 2021-05-14   点击数:保护视力色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)

近期,西班牙马拉加大学亚热带和地中海园艺研究所David Posé Padilla 教授课题组在The Plant Cell 上发表了题为The NAC transcription factor FaRIF controls fruit ripening in strawberry的研究论文。该研究发现,FaRIF (Ripening Inducing Factor) 是一个草莓果实成熟调控的核心转录因子,参与了包括植物激素调控在内的多条果实成熟调控通路。

草莓 (Fragaria  ananassa Duch) 果实由花托膨大发育而成,是一种典型的非跃变型(non-climacteric)果实。尽管有研究发现乙烯对其果实成熟有影响,但不同于苹果、香蕉等跃变型(climacteric)果实,乙烯对草莓果实成熟过程的启动或者维持并不是必需的。草莓果实早期膨大主要受生长素(auxin)和赤霉素(gibberellic acid, GA)调控,而后期成熟主要受脱落酸(abscisic acid, ABA)调控。近些年针对草莓成熟过程的研究,一些在植物激素调控草莓成熟过程中发挥重要功能的转录因子(transcription factors, TFs)也逐渐被鉴定出来,然而在这过程中比较关键的核心调控元件一直没有被发现。

FaRIF 是一个NAC(NAM, ATAF and CUC)转录因子。NAC转录因子是一类在其N端存在NAC结构域的转录因子,在很多不同的植物中都有报道NAC转录因子家族成员参与到果实成熟调控。2018年,Moyano等报道了在草莓中有112个 NAC 家族成员,其中有6个成员可能参与果实成熟。

研究人员通过对草莓112个NAC全家族成员在果实成熟过程的四个阶段的表达水平进行分析,发现10个NAC基因在成熟过程中表达升高,其中FaRIF升高尤为显著。对其进一步研究,发现FaRIF-RNAi突变体显著推迟了草莓果实成熟进程。

RNA-seq深度比对分析FaRIF-RNAi和野生型之间的差异,证实了FaRIF-RNAi突变体FaRIF的表达水平显著降低。在确定了突变体材料的前提下,进一步比对发现,16个细胞壁降解途径的基因中,有13个基因在FaRIF-RNAi突变体中表达下调,细胞壁降解果实软化作为果实成熟的重要指标,加之FaRIF-RNAi突变体果实硬度变大的表型,证明了FaRIF参与到果实成熟过程中细胞壁的重组过程。

花青素等酚类物质能够为果实着色,是果实成熟过程中重要的次生代谢产物,也是果实成熟鉴定的关键因素。研究人员对两种材料果实着色期的转录组分析对比,发现FaRIF-RNAi突变体次生代谢产物苯丙酸途径上的多个基因下调。有意思的是,一些类黄酮途径的基因在FaRIF-RNAi突变体表达下调,比如花青素合成过程的关键基因查尔酮合成酶1(CHS1),而一些单木质醇途径的基因在FaRIF-RNAi突变体表达上调,比如羟肉桂酰基转移酶(HCT)基因。这些结果也说明FaRIF在草莓成熟过程中对各种化合物的生物合成发挥着重要功能。


    草莓果实成熟与植物激素存在着密切联系。通过对比发现,FaRIF-RNAi突变体内ABA途径的多个基因表达发生变化,上调或者下调,这些变化都将导致ABA水平下降,通过检测其体内ABA含量发现,ABA含量下降了16-25%,通过喷洒ABA,FaRIF-RNAi突变体果实着色加快(图2),可是,喷洒ABA并没有完全恢复FaRIF-RNAi成熟进程。进一步比对发现,除ABA途径外,生长素,乙烯,多胺等多种激素途径的多个基因表达也发生了变化,证明了FaRIF部分通过调控ABA水平来调控果实成熟,比如花青素的生物合成,同时FaRIF也参与了多个植物激素的调控途径。

此外,坐果期特异表达的EXP2:FaRIF-RNAi突变体材料也同样推迟了果实成熟进程,而35S:FaRIF过表达材料加快了果实的成熟进程,进一步证实了FaRIF在果实成熟过程中重要功能。

综上所述,FaRIF是调控草莓成熟的重要转录因子。未来,FaRIF可作为草莓果实品质调控的一个靶向基因,为改善草莓贮存时间,品种改良提供了更多可能。图1,35Spro:RIF-RNAi推迟草莓成熟进程图2 FaRIF 调控ABA的合成和响应