柠檬酸代谢及转运相关基因对柑橘果实酸度的调控机制
果实酸度是果实品质的重要指标之一,其在细胞内的调控主要分为代谢和转运两方面。柑橘果实中最主要的有机酸是柠檬酸,本文以高橙(Citrus sp.)、温州蜜柑(Citrus unshiu Marc.)和椪柑(Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan)果实为材料,利用深度测序研究柠檬酸代谢和转运相关基因表达模式,并对转运关键基因进行功能验证,从遗传因子、栽培措施及采后处理等方面初步揭示了柑橘有机酸积累调控机制。
主要结果如下1、初步鉴定了果实柠檬酸降解相关的转运蛋白基因。研究高橙和温州蜜柑果实发育阶段柠檬酸含量变化,发现高橙果实可能存在柠檬酸降解障碍。
对高橙和温州蜜柑发育阶段果实进行深度测序,得到4866条差异表达基因(DEGs).通过实时荧光定量PCR (qRT-PCR)验证发现,CitAco3、CitGS2、CitGDU1、 CitCHX, CitAL-MT和CitDIC的表达在两个品种发育后期有显著性差异,且与柠檬酸含量变化一致。因此,推测CitAco3、CitGS2和CitGDU1调控的谷氨酰胺途径可能是果实发育过程中柠檬酸降解的主要支路,而3个转运蛋白基因(CitCHX、CitAL-MT和CitDIC)可能与柠檬酸降解有关。
用热激处理高橙果实,发现果实TA含量下降7%-9%,且CitCHX、CitAL-MT和CitDIC的表达被热激处理显著诱导。进一步用烟草瞬时表达体系进行验证,发现CitCHX、CitAL-MT和CitDIC注射后叶片中柠檬酸含量分别为对照的24%、31%和27%；同时,顺乌头酸酶活性均被显著诱导,表明CitCHX、CitAL-MT和CitDIC可能通过增强果实柠檬酸降解相关酶活性,从而促进柠檬酸降解,但其具体作用机制有待进一步研究。
2、研究了延后栽培过程中椪柑果实柠檬酸代谢规律。发现在延后采收过程中,温室栽培果实相对于露地栽培果实的可滴定酸(TA)含量显著降低,固酸比增加了6%-19%,表现出较好的风味品质。
露地栽培果实中柠檬酸含量显著高于温室栽培果实,柠檬酸合成相关基因CitPEPCs和CitCSs呈显著上调表达,表明露地栽培果实柠檬酸的合成显著增强。而柠檬酸降解相关的CitAco3、CitGAD4基因也被显著诱导,可能是由于露地栽培果实内柠檬酸大量积累,造成果实细胞内高酸环境,使植物逆境相关的γ-氨基丁酸(GABA)支路被激活,促进了柠檬酸的转化,从而维持果实细胞内的酸度平衡。
3、研究了低温和水分胁迫对椪柑果实柠檬酸代谢的调控。椪柑果实成熟期易遭遇低温、干旱等不适宜生长环境,通过盆栽试验发现柠檬酸含量在低温处理果实中一直显著高于对照,为对照的1.4-1.9倍,而在干旱处理30天果实中与对照无显著差异,处理第60天开始高于对照,约为对照的1.5倍,表明水分胁迫对柠檬酸含量的影响可能是长期效应。
CitPEPCs、CitCSs、CitAco3和CitGAD4的表达被低温显著诱导,而在水分胁迫条件下与对照无显著差异。生产上椪柑果实延后采收的时间一般是1-2个月,由此可见,低温可能是露地栽培果实中柠檬酸积累而导致品质较差的主要因素。
综上所述,柑橘果实柠檬酸调控涉及转运和代谢两个方面。首先,液泡中的柠檬酸可能在CitCHX, CitAL-MT和CitDIC等转运蛋白的共同作用下向细胞质转运,然后,通过谷氨酰胺或GABA途径降解,自然降酸主要通过谷氨酰胺途径,不同品种、不同发育阶段柑橘果实间存在能力差异,而胁迫环境下(低温等)果实柠檬酸的降解主要通过GABA途径。