張彥蘋,王 晨,朱旭東
(1 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇蘇州 215008;2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,南京 210095)
植物果實(shí)的發(fā)育成熟是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,是由眾多生理生化反應(yīng)引起的果實(shí)結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和風(fēng)味的改變。其中果實(shí)成熟最顯著的代謝變化是細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的改變,果實(shí)細(xì)胞壁物質(zhì)主要由果膠、纖維素、半纖維素等多糖類物質(zhì)組成,這些物質(zhì)的部分或完全的溶解以及淀粉和其他多糖的裂解是引起果實(shí)質(zhì)地品質(zhì)變化的主要原因[1]。此外,硬度、色澤、香味和糖酸變化也是果實(shí)成熟的標(biāo)志性事件及果實(shí)品質(zhì)構(gòu)成的核心因素。其中糖是果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)、色素、氨基酸、維生素、芳香物質(zhì)和其他的營(yíng)養(yǎng)成分合成的原材料,是判斷果實(shí)品質(zhì)的重要指標(biāo)。此外,已有研究表明,糖可以作為一個(gè)信號(hào)在調(diào)控果實(shí)成熟方面發(fā)揮重要作用,如蔗糖可以調(diào)控草莓果實(shí)的發(fā)育成熟[2]。
生長(zhǎng)素(auxin)是最早被發(fā)現(xiàn)的一類植物激素,在果實(shí)發(fā)育過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。其水平的動(dòng)態(tài)時(shí)空變化可以精確、快速地觸發(fā)基因重編碼,從而精細(xì)調(diào)控植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中的多個(gè)方面[3-4]。已有研究表明,外源生長(zhǎng)素處理可以影響番茄、桃、草莓等果實(shí)的硬度、成熟時(shí)間[2];生長(zhǎng)素還可通過(guò)調(diào)控乙烯信號(hào)途徑參與果實(shí)成熟的啟動(dòng)及調(diào)控等[5-8]。Tonutti等發(fā)現(xiàn)在桃果實(shí)發(fā)育成熟時(shí)期,乙烯釋放量與果肉IAA含量呈正相關(guān)[9]。此后有研究表明人工合成的生長(zhǎng)素處理可加速桃果實(shí)發(fā)育、成熟和乙烯的產(chǎn)生[10]。Tatsuki等比較溶質(zhì)型桃和硬質(zhì)型桃成熟軟化的差異時(shí)發(fā)現(xiàn)二者之間不僅乙烯釋放量存在差異,吲哚乙酸(IAA)的含量也表現(xiàn)出很大的不同[5]。中國(guó)市場(chǎng)中以鮮食桃為主,多為溶質(zhì)型桃,在果實(shí)成熟后軟化速度較快,果實(shí)品質(zhì)快速下降,不耐貯藏和運(yùn)輸,成為限制桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大重要因素?,F(xiàn)有研究表明生長(zhǎng)素在桃果實(shí)成熟及軟化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,但同一樹種不同品種(基因型)間的軟化機(jī)理存在明顯差異,為進(jìn)一步明確生長(zhǎng)素對(duì)桃果實(shí)發(fā)育成熟的調(diào)控作用,本研究以水蜜桃品種‘小白鳳’為試驗(yàn)材料,通過(guò)設(shè)置不同濃度的外源IAA處理,分析桃果實(shí)硬度、糖組分(蔗糖、葡萄糖、果糖、山梨醇)、果膠、纖維素含量以及乙烯釋放量的變化,明確顯著影響桃果實(shí)成熟的IAA處理濃度,確定外源IAA處理在轉(zhuǎn)錄組水平的影響,以期為深入認(rèn)識(shí)生長(zhǎng)素調(diào)控果實(shí)成熟的機(jī)理以及生長(zhǎng)素在桃果實(shí)成熟調(diào)控中的應(yīng)用提供依據(jù)。
以蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院合作試驗(yàn)基地的‘小白鳳’水蜜桃成年樹(8年生)上的果實(shí)作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)前選取生長(zhǎng)勢(shì)一致的植株進(jìn)行掛牌標(biāo)記,每處理設(shè)3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)3株桃樹。在花后60 d(果實(shí)第2次快速膨大期)[11]參考Liu等方法分別用 200,10,0.1 μmol/L的外源 IAA(加1% 吐溫80)均勻噴灑整個(gè)果實(shí)表面[12],對(duì)照處理同步噴施蒸餾水。處理后每隔10 d隨機(jī)選取不同植株不同方向的果實(shí)取樣,共3次。所有樣品取回后分離果皮和果肉,于液氮中速凍并放置在-80 ℃條件下保存。
1.2.1 果實(shí)硬度
果實(shí)硬度參考曾文芳等[8]方法采用水果硬度計(jì)(GY-3)進(jìn)行測(cè)定。
1.2.2 果實(shí)糖組分含量
糖組分含量采用高效液相色譜儀參考Gomez等的方法進(jìn)行測(cè)定[12]。色譜條件為高效液相色譜儀(Agilent 1260 infinity),Hi-Plex Ca (8 μm,300 mm×7.7 mm, Agilent, GB),柱溫為80 ℃,示差檢測(cè)器為Agilent 1260,溫度40 ℃,流動(dòng)相為超純水,流速為0.6 mL/min。外標(biāo)法定量。
1.2.3 果實(shí)果膠和纖維素含量
參考彭勇等的方法[13],果膠含量和纖維素含量分別用咔唑比色法和蒽酮比色法進(jìn)行測(cè)定。
1.2.4 果實(shí)乙烯釋放量
參照曾文芳等的方法進(jìn)行測(cè)定[8]。色譜條件為島津GC2010型氣相色譜儀,高鴿手動(dòng)微量進(jìn)樣器,氣相毛細(xì)管色譜柱:Rtx-5(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm,restek);進(jìn)樣口(SPL)100.0 ℃,柱溫60 ℃;氫離子火焰檢測(cè)器(FID)溫度130 ℃;載氣He,流速 30 mL/min;燃?xì)釮2,流速30 mL/min;空氣流速400 mL/min,分流比35;壓力控制流量,壓力113.5 kPa,進(jìn)樣時(shí)間2.0 min。
1.2.5 果實(shí)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序
依據(jù)前面取得的結(jié)果,選取200 μmol/L的外源IAA 處理后30 d果實(shí)的果肉部分進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序??俁NA 用TRIzol試劑盒 (Invitrogen, CA, USA)提取,構(gòu)建2個(gè)樣品的文庫(kù),送北京諾禾致源進(jìn)行單末端(50 bp)測(cè)序,測(cè)序平臺(tái)為Illumina Hiseq 2500(Illumina Inc., San Diego, CA, USA)。通過(guò)FDR(false discovery rate)設(shè)定閾值的方法來(lái)篩選差異基因[14]。兩組比對(duì)中,P<0.05 被認(rèn)為是差異表達(dá)。
1.2.6 實(shí)時(shí)熒光定量RT-PCR
以mRNA反轉(zhuǎn)錄合成的cDNA為模板,以桃RPII基因?yàn)閮?nèi)參進(jìn)行qRT-PCR擴(kuò)增[15]。
試驗(yàn)重復(fù)3次,采用2-ΔΔCT法計(jì)算基因相對(duì)表達(dá)量。所用引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成,其序列見表1。
表1 試驗(yàn)中所用引物序列
采用SPSS 22.0、Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(a=0.05)。
圖 1 顯示,不同濃度IAA處理后至果實(shí)成熟時(shí),桃果實(shí)表型及硬度出現(xiàn)了不同程度的差異。在處理后30 d時(shí),桃果實(shí)在200 μmol/L IAA處理組比對(duì)照組平均延遲5 d成熟,而在10,0.1 μmol/L IAA 處理組與對(duì)照組無(wú)顯著差異(圖 1,A)。同時(shí),桃果實(shí)的硬度在不同處理組中均隨著果實(shí)成熟而逐漸顯著下降。其中,在IAA處理后10 d和20 d時(shí),桃果實(shí)硬度在同期各IAA處理組與對(duì)照組間均無(wú)顯著差異;至處理后30 d時(shí),桃果實(shí)硬度在10,0.1 μmol/L IAA處理組與同期對(duì)照組間仍無(wú)顯著差異,而在200 μmol/L IAA處理組中顯著高于同期對(duì)照組(圖 1,B)。
不同小寫字母表示處理間在0.05 水平顯著差異(P <0.05)。下同。
果實(shí)糖含量的變化與果實(shí)的成熟密切相關(guān),本研究采用高效液相色譜法測(cè)定了桃果肉中蔗糖、葡萄糖、果糖、山梨醇的含量。結(jié)果(圖 2)表明,桃果實(shí)中蔗糖含量在0.1 μmol/L IAA 處理后10 d與對(duì)照組無(wú)顯著差異,在處理后20 d顯著高于對(duì)照組,在處理后30 d顯著低于對(duì)照組;蔗糖含量在10 μmol/L IAA 處理后10 d顯著低于對(duì)照組,在處理后20 d和30 d 時(shí)與對(duì)照組均無(wú)顯著差異;蔗糖含量在200 μmol/L IAA處理后10 d、20 d 和30 d均顯著低于同期對(duì)照組。說(shuō)明200 μmol/L 的外源IAA處理可以顯著降低桃果肉中蔗糖含量。同時(shí),桃果實(shí)中葡萄糖和果糖含量在對(duì)照組和IAA處理組中都呈現(xiàn)一致的逐漸降低趨勢(shì),且在各濃度IAA處理后10 d 和20 d 時(shí)均高于對(duì)照組,各濃度處理的果糖含量及200 μmol/L IAA處理葡萄糖含量增幅在20 d時(shí)均達(dá)到顯著水平,在各濃度IAA處理后30 d 時(shí)多與對(duì)照組間無(wú)顯著差異。另外,桃果實(shí)中山梨醇含量在各濃度IAA處理后10 d 時(shí)均顯著低于對(duì)照組,處理后20 d和30 d時(shí)均與對(duì)照組無(wú)顯著差異(圖 2)。可見,外源IAA處理對(duì)桃果肉中蔗糖含量影響最為顯著,其次是果糖和葡萄糖含量,各處理濃度中又以 200 μmol/L IAA 處理表現(xiàn)最為突出。
圖2 不同濃度IAA處理后桃果肉中蔗糖、葡萄糖、果糖和山梨醇含量的變化
植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)是決定果實(shí)硬度的關(guān)鍵因素,細(xì)胞壁是由纖維素、果膠和蛋白質(zhì)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu),桃果肉中可溶性果膠、不可溶性果膠、總果膠和纖維素含量的測(cè)定結(jié)果如圖3所示。其中,桃果肉中可溶性果膠含量在0.1 μmol/L IAA處理后10 d和30 d均與同期對(duì)照組無(wú)顯著差異,處理后20 d顯著高于對(duì)照;在 10 μmol/L IAA處理后10 d和20 d與對(duì)照組均無(wú)顯著差異,處理后30 d顯著低于對(duì)照組;在200 μmol/L IAA處理10 d和30 d后均比對(duì)照顯著下降,處理后20 d與對(duì)照無(wú)顯著差異(圖3,A)。即桃果肉中可溶果膠含量在200 μmol/L IAA處理后整體低于對(duì)照組,在0.1 μmol/L IAA處理后均不同程度高于對(duì)照組。
圖3 不同濃度IAA處理后桃果肉中可溶性果膠、不可溶果膠、總果膠及纖維素含量的變化
圖4 不同濃度IAA處理后桃果實(shí)乙烯釋放量的變化
FC.差異倍數(shù)。
圖6 IAA處理組和對(duì)照組中差異表達(dá)基因在GO分類中富集程度高的30個(gè)條目
圖7 IAA處理組與對(duì)照組差異基因富集程度較高的20個(gè)代謝通路圖
圖8 響應(yīng)IAA處理的桃果實(shí)成熟相關(guān)基因差異表達(dá)熱圖
同時(shí),桃果肉中不可溶果膠含量在各處理組中均隨果實(shí)發(fā)育成熟呈下降趨勢(shì),在處理后10 d表現(xiàn)為200,10 μmol/L IAA處理顯著高于對(duì)照組和0.1 μmol/L 處理組,在處理后20 d和30 d時(shí)各IAA處理組與對(duì)照組之間均無(wú)顯著差異(圖3,B)。桃果肉中總果膠含量在處理后10 d時(shí)也表現(xiàn)為200,10 μmol/L 處理顯著高于對(duì)照組和0.1 μmol/L 處理組,在處理后20 d時(shí)各處理組及對(duì)照之間均無(wú)顯著差異,在處理后30 d時(shí)0.1 μmol/L 處理顯著高于其他3組(圖3,C)。
另外,隨著桃果實(shí)發(fā)育成熟,各處理組桃果肉中纖維素含量均顯著下降,在不同處理時(shí)間之間存在顯著差異,說(shuō)明纖維素含量與果實(shí)成熟軟化負(fù)相關(guān)。圖3,D顯示,在IAA處理后10 d和30 d時(shí),桃果肉中纖維素含量在各處理組及對(duì)照組之間均無(wú)顯著差異;在處理后20 d時(shí),各處理組均顯著高于對(duì)照組,但處理組之間無(wú)顯著差異。以上果膠和纖維素含量的變化表明,外源IAA處理對(duì)桃果肉中可溶性果膠含量的影響較大,而對(duì)不可溶果膠含量、纖維素含量多無(wú)顯著影響;可溶性果膠含量與果實(shí)的成熟軟化正相關(guān),不可溶性果膠、總果膠和纖維素含量與果實(shí)的成熟軟化負(fù)相關(guān)。
乙烯與果實(shí)的成熟密切相關(guān),有必要了解不同濃度IAA處理對(duì)桃果實(shí)乙烯釋放量的影響。圖 4顯示,隨著IAA處理時(shí)間的增加,各處理組和對(duì)照組桃果實(shí)中乙烯釋放量的變化趨勢(shì)一致,在處理后20 d時(shí)均升至最高,至處理后30 d果實(shí)成熟時(shí)又均顯著下降;在IAA處理后10 d、20 d和30 d時(shí),桃果實(shí)中乙烯釋放量均表現(xiàn)為0.1,10 μmol/L 處理與對(duì)照組無(wú)顯著差異,而200 μmol/L 處理組顯著低于對(duì)照組。這進(jìn)一步表明200 μmol/L的外源IAA處理能夠延緩桃果實(shí)的成熟。
為探討外源IAA在基因水平上對(duì)桃果實(shí)發(fā)育成熟的影響,本研究對(duì)200 μmol/L IAA處理后30 d的果實(shí)和對(duì)照組果實(shí)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析。結(jié)果表明,IAA處理組和對(duì)照組中共存在86個(gè)差異表達(dá)基因(DEG),其中60個(gè)基因表達(dá)量上調(diào),26個(gè)基因表達(dá)量下調(diào)(圖 5)。
將篩選出來(lái)的差異表達(dá)基因進(jìn)行GO 分析發(fā)現(xiàn),所有差異表達(dá)基因均能夠得到注釋,圖 6 展示了富集最顯著的30個(gè)GO 條目,其中生物學(xué)過(guò)程分類中包含有植物激素響應(yīng)條目。圖 7 顯示了86個(gè)差異表達(dá)基因在 KEGG 分類中富集最顯著的20條代謝途徑,其中包括植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。
進(jìn)一步對(duì)KEGG代謝途徑分析發(fā)現(xiàn)其中有6個(gè)與果實(shí)發(fā)育成熟密切相關(guān)(圖 8),包括色氨酸代謝(Prupe.6G157500/YUCCA10、Prupe.5G011400/CAT1)、類黃酮生物合成(Prupe.1G376400/DFR、Prupe.I005800/PKS5)、戊糖和葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換(Prupe.4G261900/Endo-PG、Prupe.4G262200/Endo-PG、Prupe.7G192800/PME1)、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(Prupe.2G317100/SAUR32、Prupe.8G153800/PR1、Prupe.6G332500/AHP1、Prupe.5G035400/MYC2)、淀粉和蔗糖的代謝(Prupe.4G261900/Endo-PG、Prupe.4G262200/Endo-PG、Prupe.7G192800/PME1、Prupe.1G099000/GAE1)、類胡蘿卜素生物合成(Prupe.4G082000/NCED5)。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)顯示外源IAA處理后,催化吲哚丙酮酸生成生長(zhǎng)素的類黃素單加氧酶編碼基因(YUCCA10)的表達(dá)量顯著下降;與果實(shí)成熟軟化密切相關(guān)的多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠甲酯酶(PME1)基因的表達(dá)量均顯著下降。另外,與果實(shí)成熟密切相關(guān)的乙烯代謝途徑中4個(gè)ERF家族基因(Prupe.4G051400/ERF80、Prupe.4G176200/ERF78、Prupe.7G194400/ERF17、Prupe.8G125100/ERF109)的表達(dá)量在IAA處理后均顯著上升。以上對(duì)照和處理組中與果實(shí)成熟相關(guān)基因表達(dá)量的變化進(jìn)一步表明一定濃度的外源IAA處理能夠影響桃果實(shí)發(fā)育成熟的過(guò)程。
為驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中基因表達(dá)譜的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性,從上述與果實(shí)發(fā)育成熟密切相關(guān)的代謝途徑中隨機(jī)選擇6個(gè)差異表達(dá)基因進(jìn)行qRT-PCR驗(yàn)證分析,包括Prupe.5G011400/CAT1、Prupe.1G376400/DFR、Prupe.7G192800/PME1、Prupe.5G035400/MYC2、Prupe.4G082000/NCED5和Prupe.4G051400/ERF80,含上調(diào)和下調(diào)基因。結(jié)果 (圖9)顯示,對(duì)于所檢測(cè)的6個(gè)候選基因,qRT-PCR結(jié)果與RNA-seq的轉(zhuǎn)錄豐度表達(dá)譜變化趨勢(shì)一致,表明RNA-seq數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
圖9 qRT-PCR 驗(yàn)證6個(gè)差異表達(dá)基因的相對(duì)表達(dá)量
已知植物激素在果實(shí)的發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用,且越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素在果實(shí)發(fā)育中起著非常關(guān)鍵的作用,與果實(shí)坐果、生長(zhǎng)密切相關(guān)[16-17]。外源生長(zhǎng)素處理未成熟的果實(shí)可以延緩果實(shí)成熟,同時(shí)導(dǎo)致單性結(jié)實(shí)[3],也有研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素在果實(shí)成熟啟動(dòng)時(shí)起重要作用[5],表明生長(zhǎng)素在不同樹種以及同一樹種不同品種(基因型)間的作用機(jī)理存在差異,因此有必要開展進(jìn)一步的研究。
果實(shí)的生長(zhǎng)和成熟是復(fù)雜的發(fā)育過(guò)程,果實(shí)成熟時(shí)的風(fēng)味是鮮食桃重要的育種性狀,其中糖是起決定作用的因素之一[18],其種類、含量和比例是衡量桃果實(shí)風(fēng)味的重要指標(biāo)[19-20]。桃果實(shí)的甜味主要是由可溶性糖含量決定的,包括蔗糖、果糖、葡萄糖和山梨醇[21],其中蔗糖占可溶性糖的73%[22]。本研究發(fā)現(xiàn) 在200 μmol/L 生長(zhǎng)素處理組中,桃果肉中蔗糖含量在處理后10 d、20 d 和30 d均顯著低于對(duì)照組,而其葡萄糖和果糖含量變化不顯著。已有研究顯示蔗糖含量與果實(shí)成熟度呈正相關(guān)[23-24],因此200 μmol/L 的外源IAA處理可能通過(guò)降低蔗糖含量延緩桃果實(shí)的成熟。桃果實(shí)中果膠-纖維素-半纖維素(P-C-H)結(jié)構(gòu)的破壞,細(xì)胞壁中果膠和纖維素的部分或完全溶解以及淀粉和其他多糖的裂解是果實(shí)軟化的原因[1],本研究測(cè)定了IAA處理后桃果肉中果膠和纖維素含量的變化,結(jié)果顯示200 μmol/L IAA處理后果肉中不可溶果膠含量整體低于對(duì)照組,纖維素含量略高于對(duì)照組。已知可溶性果膠含量與桃果實(shí)帶皮硬度呈顯著負(fù)相關(guān),纖維素含量與果實(shí)硬度呈正相關(guān)[25],因此,200 μmol/L IAA處理延緩了桃果實(shí)的軟化。
果實(shí)的成熟軟化始于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的破壞[26],細(xì)胞壁中果膠和纖維素的溶解以及多糖的裂解引起果實(shí)質(zhì)地的變化,而細(xì)胞壁多糖的解聚大多是通過(guò)細(xì)胞壁修飾酶催化的,一般包括多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠甲基酯酶(PME)、果膠裂解酶(PL)、α-阿拉伯呋喃糖苷酶、β-半乳糖苷酶和甘露糖酶。已知PG是降解細(xì)胞壁中果膠的最主要酶[27],它的活性與果實(shí)軟化啟動(dòng)正相關(guān),在果實(shí)成熟時(shí)其活性快速增加,加速果膠降解,導(dǎo)致果實(shí)軟化,其可分為外切酶(Exo-PG)和內(nèi)切酶(Endo-PG),已知桃果實(shí)的溶質(zhì)階段伴隨著Endo-PG基因表達(dá)和酶活性的明顯增加[6,28]。本研究結(jié)果顯示IAA處理組與對(duì)照組的差異表達(dá)基因中存在多個(gè)與果實(shí)成熟密切相關(guān)的基因,涉及多個(gè)代謝途徑,其中參與戊糖、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換和淀粉、蔗糖的代謝途徑的Prupe.4G262200/Endo-PG的表達(dá)量在IAA處理組中顯著低于對(duì)照組,表明200 μmol/L 的IAA處理后,桃果實(shí)中Endo-PG表達(dá)量降低,細(xì)胞壁中果膠降解變緩。此外同樣參與2個(gè)代謝途徑的PME能夠使多聚糖醛酸去酯化,參與細(xì)胞壁降解,其編碼基因表達(dá)水平在溶質(zhì)型桃中明顯高于硬質(zhì)型桃[29]。本研究中200 μmol/L IAA處理后PME1表達(dá)量也顯著低于對(duì)照組,以上結(jié)果與測(cè)得的果膠數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。可見,利用200 μmol/L 的IAA噴施處于第2次快速膨大期的‘小白鳳’桃果實(shí)能夠延緩其發(fā)育成熟進(jìn)程。