正常成熟與不成熟西瓜果實中ACS、ACO 基因表達及乙烯產(chǎn)生的動態(tài)比較

周 明 郭紹貴 張潔 張海英 李常保 唐曉偉 任毅 宮國義 許勇

目的與意義：乙烯對非呼吸躍變型果實的成熟調控機制尚不明確。西瓜果實屬于非呼吸躍變型果實，據(jù)報道稱，外源乙烯處理會導致西瓜果實軟化加速和水脫。以呼吸躍變型果實番茄為對照，擬測定西瓜果實乙烯的釋放量和組織乙烯（CIE）含量，分析乙烯合成酶基因ACS和ACO基因在不同類型西瓜果實成熟過程中表達量變化，希望能解析乙烯在非呼吸躍變型西瓜果實成熟過程中的作用、獲得調控西瓜果實成熟的關鍵基因。

材料與方法：以番茄果實為對照，測定正常成熟‘97103和不成熟‘PI296341-FR果實中乙烯的釋放量和組織中乙烯的含量。通過全長比對和蛋白結構域分析西瓜基因組ACS和ACO基因，利用Blast2GO軟件（v2.5.0）獲取ACS和ACO候選蛋白，利用InterproScan和PFAM分析候選蛋白結構域，利用分子進化遺傳分析軟件（MEGA）5.0構建系統(tǒng)進化樹，利用qPCR檢測‘97103果肉成熟過程中ACS基因和ACO基因的表達量。

結果與分析：（1）果實發(fā)育過程中的乙烯產(chǎn)量：西瓜‘97103和‘PI296341-FR果實的乙烯釋放量在整個發(fā)育過程中都處于極低水平。西瓜果肉中的CIE約為番茄的1/10，其含量明顯高于西瓜果實乙烯釋放量，模式也明顯不同。（2）乙烯合成酶的活性：西瓜果肉中的ACS活性比番茄低約3～7倍，并且在2個品種果實發(fā)育期間顯示出不同的模式。在‘97103果肉中，ACS活性從10 DAP至18DAP和26DAP成倍增加。‘PI296341-FR果肉中的ACS活性明顯較低，并且在4個發(fā)育階段沒有顯著差異。在西瓜‘97103果肉中發(fā)現(xiàn)相對高水平的ACO活性。與‘97103相比，‘PI296341-FR果肉中ACO活性平均水平要低得多。（3）ACS和ACO基因的鑒定和系統(tǒng)發(fā)育分析：在西瓜基因組中識別到8個ACS基因（Cla000483，Cla006245，Cla006634，Cla011230，Cla011522，Cla014057，Cla014652和Cla022653）和8個ACO基因（Cla004353，Cla010665，Cla013516，Cla014414，Cla014827，Cla016287，Cla016825和Cla023189）。將西瓜ACS/ACO與擬南芥，番茄和草莓中ACS/ACO的蛋白質進行系統(tǒng)發(fā)育分析。西瓜ACS基因Cla006634與番茄SIACS2和SIACS4，草莓的FaACS1分為一組，Cla014652與番茄的SIACS1A和SIACS6分為一組，西瓜ACO基因Cla016287和Cla014414與番茄SIACO1，草莓FaACO1和甜瓜（Cucumis melo L.）CmACO1基因密切相關。（4）乙烯合成基因的表達：鑒定到8個ACS和8個ACO基因，排除有限轉錄的基因，最后確定4個ACS基因（Cla006245，Cla011522，Cla014652和Cla022653）以及4個ACO基因（Cla010665，Cla013516，Cla014827和Cla016287），進行階段和組織特異性表達分析。4個ACS基因在西瓜果肉和其他組織中表現(xiàn)出不同的表達模式（原圖3）。在整個果實發(fā)育過程中，Cla011522和Cla022653均以成熟依賴性方式表達，并且它們的轉錄水平在‘97103果肉成熟時高度誘導，顯著高于其他2個ACS基因Cla006245和Cla014652。4個ACO基因顯示出不同的時間和空間表達模式（原圖4）。Cla014827在成熟的果肉中特異性高表達，在‘97103果肉26DAP時達到峰值。Cla016287在‘97103的果肉和中果皮（18DAP）表達量都很高，但在其他組織較低。在‘PI296341-FR中，Cla016287以類似的方式轉錄，但水平相對較低。相比之下，成熟果實中的Cla013516和Cla010665以相對低的水平表達，并且在10DAP時到達早期峰值，然后在整個發(fā)育過程中急劇下降。

結? ? 論：為西瓜成熟過程中乙烯生物合成與作用提供了新的見解。與不能成熟的野生西瓜‘PI296341-FR相比，正常成熟的栽培西瓜‘97103果肉產(chǎn)生乙烯的能力更高，表明栽培西瓜通過乙烯調控更多的生理活動，例如果實軟化。另外，栽培和正常成熟西瓜的基因組是否與番茄相似，通過嚴格調節(jié)乙烯生物合成和生產(chǎn)來維持乙烯在果實中的正常生理作用，仍有待進一步研究。