| 主题 | 茉莉酸甲酯在缓解‘徐香’猕猴桃冷害中的作用：来自转录组学证据的见解 | ||
| 题目 | Role of methyl jasmonate in alleviating chilling injury in 'Xuxiang' kiwifruit: Insights from transcriptomic evidence | ||
| 期刊 | Postharvest Biology and Technology | ||
中科院 分区 | 1区 | 影响因子 | 6.4 |
| 第一作者 | Yaoxing Niu | 通讯作者 | Anwei Luo |
| 单位 | College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China | ||
| 原文链接 | https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2024.113065 | ||
猕猴桃因其高营养价值和酸甜口味而深受消费者喜爱。近年来，已在世界各地商业化种植，并成为全球主流消费水果之一。然而，猕猴桃是一种典型的跃变型水果，在采后贮藏和运输过程中极易腐败。低温贮藏通常是保持猕猴桃采后品质的最有效和最经济的技术。但长期低温（-2~2.5 ℃）贮藏会在贮藏后期诱发猕猴桃冷害（CI）。CI是指植物及其产品在低温非冻结条件下贮藏引起的一系列生理病害。猕猴桃的CI主要表现为果实表面凹陷、果肉浸水、木质化和褐变。CI果实更容易变质，导致巨大的经济损失。开发新型、高效的天然保鲜剂和保鲜技术，减少贮藏过程中CI的发生，是猕猴桃低温贮藏亟待解决的问题。
植物激素是由植物合成的一类有机化合物，在低浓度下也能对植物的生理产生调节作用。茉莉酸甲酯（MeJA）是茉莉酸的衍生物，已被确定为调节果实对非生物和生物胁迫的防御反应的关键信号分子。目前研究表明，MeJA是一种天然存在于植物中的化合物，不会对人体造成任何不良影响。近年来，利用外源MeJA处理提高果蔬采后贮藏品质的研究较多。研究表明MeJA除了诱导抗病性外，还可以缓解水果和蔬菜在低温贮藏过程中的CI症状。然而，外源MeJA处理对猕猴桃CI影响的潜在机制尚未得到充分探索。许多研究表明，茉莉酸甲酯可以通过提高过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性，抑制脂氧合酶（LOX）的活性，减少丙二醛（MDA）的积累，减少细胞膜脂质的过氧化作用来保持果蔬的品质。脯氨酸和酚类物质在果蔬抗低温胁迫中也起着重要作用。因此，研究外源MeJA对猕猴桃果实中有关物质和酶的影响，缓解猕猴桃CI具有重要意义。
在植物胁迫反应的研究中，转录组学是研究生物体如何对外部环境刺激做出反应的重要手段。它允许在分子水平上分析不同组织、生长阶段和环境中差异表达的基因。目前，它被广泛用于研究水果和蔬菜的抗寒机制，然而，从转录组学角度探讨外源MeJA如何诱导猕猴桃抗低温胁迫的研究较少。
3.1 MeJA处理对猕猴桃CI指数、硬度、呼吸速率和L*的影响
经MeJA处理的猕猴桃在低温贮藏期间的外观变化见图1A。第0天，MeJA 处理组和对照组没有表现出初始差异，但随着贮藏时间的延长，两组猕猴桃都逐渐出现果皮起皱、果肉表面形成水渍斑和木质化症状。与对照组相比，MeJA 处理组明显减轻了猕猴桃在低温贮藏期间的CI。结果显示，在低温贮藏后期，MeJA处理组的CI指数显著低于对照组（图1B）。如图1C所示，随着贮藏时间的延长，两组猕猴桃的硬度均持续下降。然而，在第56、98、112和126 天，MeJA处理组的猕猴桃硬度显著高于对照组（p < 0.05）。图1D显示了不同处理组在贮藏过程中呼吸速率的变化。如图所示，两组猕猴桃的呼吸速率均呈现出先上升后下降的趋势，并在第14天达到峰值。与对照组相比，除第0、28和70天外，MeJA 处理组的呼吸速率均显著下降（p < 0.05）。图1E清楚地显示了 MeJA对贮藏后期果实亮度值下降的抑制作用。以上结果表明，在整个低温贮藏期间，MeJA能有效地延缓猕猴桃硬度和L*值的下降，抑制呼吸速率的升高，减轻猕猴桃的CI症状。
3.2 MeJA处理对猕猴桃贮藏过程中LOX、CAT、APX活性及MDA含量、脯氨酸含量、总酚含量的影响
图2描述了低温贮藏期间外源MeJA诱导的氧化酶和抗氧化酶活性以及相关化合物水平的变化。图2A描述了贮藏过程中LOX活性的变化。随着贮藏时间的延长，LOX活性呈现出先升高后降低的总体趋势，并在第70天达到峰值。在储存期间，对照组的LOX活性显著高于MeJA组（p < 0.05）。如图2B所示，MeJA组和对照组的CAT活性都有所上升，在第70天达到峰值。在该时间点，MeJA处理组的CAT活性是对照组的1.13倍。此外，在第28、84、112和126天，MeJA组的CAT活性明显高于对照组（p < 0.05）。同样，APX活性也呈现出先升高后降低的趋势，在贮藏期的第84天达到峰值。第84天，MeJA处理组为82.51 U g-1，对照组为71.33 U g-1（图2C）。
在贮藏期间，MDA含量呈上升趋势，与对照组相比，MeJA组在第14、56、84和98天的含量明显较低（图2D）。MeJA处理过的猕猴桃中脯氨酸含量在整个贮藏期间显著积累，在第28天达到峰值，与对照组相比增加了1.62 倍。第126天，MeJA组的脯氨酸含量（34.16 μg g-1）与对照组（24.77 μg g-1）相比显著增加，表明MeJA处理对脯氨酸的积累有促进作用（图2E）。在贮藏期间的第28、70、84、112和126天，MeJA处理组的总酚含量明显高于对照组（图2F）。
总的来说，与对照组相比，MeJA处理过的猕猴桃表现出更强的CAT和APX 活性，脯氨酸和总酚水平也有所提高，而LOX活性和MDA含量则有所降低。
3.3 不同处理的转录组学分析
贮藏结束后，对不同处理组的猕猴桃进行了转录组学分析。通过识别MeJA组和对照组之间的差异表达基因（DEGs），共发现3505个基因表现出差异表达，包括839个上调基因和2666个下调基因（图3A）。将这些DEGs与基因本体论（GO）和京都基因组百科全书（KEGG）进行比较，然后进行统计分析，以确定不同类别基因的显著富集程度。利用GO数据库对MeJA处理后的DEGs进行了三大类注释：生物过程（BP）（11个GO术语）、细胞成分（CC）（2个GO术语）和分子功能（MF）（10个GO术语）。与BP相关的DEGs主要参与细胞过程、代谢过程、生物调节、刺激反应和定位。参与CC的DEGs主要与细胞解剖实体和含蛋白质的复合物有关。
参与MF的DEGs主要与催化活性、结合、转运蛋白活性和转录调节因子活性有关（图3B）。GO富集分析结果揭示了蛋白激酶活性、磷酸转移酶活性、作为受体的醇基团、细胞通讯和碳水化合物结合的显著富集（图3D）。根据 KEGG 数据库，DEGs可分为不同的类别，包括细胞过程（1个术语）、环境信息处理（2个术语）、遗传信息处理（4个术语）、新陈代谢（11个术语）和生物系统（1个术语）（图3C）。对DEGs进行了GO和KEGG富集分析。根据KEGG富集分析，与植物MAPK信号通路、植物-病原体相互作用、植物激素信号转导、类黄酮生物合成、苯丙酮生物合成相关的基因被显著富集（图3E）。这些发现意味着外源MeJA可能主要通过调节上述途径中的相关基因来增强抗寒性。
图3 MeJA处理猕猴桃中DEGs上调和下调的数量（A）、差异基因的GO（B）和KEGG（C）分类。对于GO和KEGG通路的分类分析，不同颜色表示不同分类，长条长度表示相关基因的数量。差异基因的GO（D）和KEGG（E）富集分析。对于GO和KEGG通路的富集分析，圆圈颜色的深浅表示分类的富集程度，圆圈的大小表示相关基因的数量
3.4 参与关键代谢过程的DEGs
细胞膜脂质过氧化是导致猕猴桃出现水渍斑的主要因素。因此，对与细胞膜脂质过氧化相关的DEGs进行了筛选和鉴定。图4A显示了与乙烯生物合成相关的DEGs。大多数与乙烯生物合成相关的关键基因表达下调。其中，1个ACS基因（Ach18g052141.2）、2个ACO基因（Ach12g157111.2；Ach12g434411.2）、1个EIN3基因（Ach23g346641.2）和2个ERF基因（Ach28g142001.2；Ach24g193721.2）在MeJA处理后表达下调。与细胞壁降解相关的DEGs如图4B 所示。MeJA处理后，1个PG基因（Ach07g391681.2）表达下调，3个编码PE的基因（Ach00g381701；Ach00g295291；Ach02g250811.2）表达下调，1个基因（Ach00g473971.2）表达上调。同样，2个编码PL的基因（Ach18g326121.2；Ach26g077721.2）下调，1个基因（Ach00g106231.2）上调。筛选并确定了参与植物激素信号通路的关键基因（图4C）。结果发现，茉莉酸信号通路中2个编码JAZ蛋白的基因（Ach06g169701.2；Ach11g360591）和2个编码MYC2蛋白的基因（Ach00g061231.2；Ach01g326561.2）表达下调。脱落酸（ABA）信号在介导植物对非生物胁迫的反应中至关重要，植物通过PYR/PYL家族和PP2C基因感知ABA信号。编码PYR/PYL蛋白的2个基因（Ach25g181711；Ach03g287001）和编码PP2C的3个基因（Ach00g286741.2；Ach00g370781.2；Ach03g419191.2）同时上调和下调，表明这些基因具有不同的功能作用。两个编码ARF的基因（Ach20g073331.2；Ach29g473511.2）表达下调，而1个基因（Ach00g437901.2）表达上调。还筛选并鉴定了相关的差异转录因子（图4D）。共鉴定出六类转录因子，主要是bHLH、C2H2、LOB、WRKY、MYB和bZIP，其中大部分在MeJA 处理后表现出下调。研究结果表明，MeJA主要通过对转录因子的活性进行负调控来缓解CI。其中，编码WRKY转录因子的3个基因（Ach08g300421；Ach25g132821；Ach23g191331.2）变化最为显著。
图4 猕猴桃代谢途径中DEGs的热图比较。介绍了乙烯生物合成（A）、细胞壁降解（B）、植物激素信号转导（C）和转录因子（D）
3.5 DEGs的顺式作用元件和蛋白质性质及结构分析
对所选基因的顺式调控元件进行了分析，发现非生物胁迫响应元件和激素响应元件显著富集（图5）。发现的主要顺式作用元件包括低温响应元件（LTR）、脱落酸元件（ABRE）、光响应元件（GT1-motif、Gbox、ACE、TCCC-motif、AAAC-motif，Box 4）、MeJA响应元件（CGTCA-motif和 TGACG-motif）、 赤霉素反应元件（TATC-box，GARE-motif）、辅助因子反应元件（TGA-element）、水杨酸反应元件（TCA-element）、防御和胁迫反应元件（富含TC的重复序列）、厌氧诱导反应元件（ARE）。其中，1个编码PL的基因（Ach00g106231.2）、1个编码 PP2C的基因（Ach03g419191.2）、1个编码WRKY的基因（Ach25g132821）和1个编码LOB的基因（Ach26g108651）均具有多个连续的MeJA响应元件，这可能与外源MeJA的调控直接相关。表S1和图6对这四个基因编码蛋白质的理化性质、二级和三级结构进行了预测。氨基酸数目在194~336之间，等电点在5.46~6.14之间，除Ach00g106231.2外，所有基因的不稳定指数都属于不稳定蛋白。这四个基因都属于亲水性蛋白，亚细胞定位在细胞核中。这些性质和结构可为后续分子研究提供有价值的参考。
图5 低温贮藏期间MeJA处理后DEGs启动子中顺式作用基序富集分析。乙烯生物合成（A）、细胞壁降解（B）、植物激素信号转导（C）和转录因子（D），不同的颜色代表不同的顺式作用元件
图6 关键基因蛋白质二级和三级结构预测
图7 MeJA缓解猕猴桃CI的调控机制：红色箭头表示上调，绿色箭头表示下调。
在生理、生化和分子水平上研究了外源MeJA缓解猕猴桃CI的机制。研究表明，外源MeJA缓解猕猴桃CI的作用机制主要包括：（1）MeJA维持了脯氨酸和总酚的含量，提高了抗氧化酶CAT和APX的活性，抑制了LOX的活性，从而延缓了膜脂质过氧化；（2）MeJA抑制ACC、ACS等乙烯生物合成基因的表达，从而延缓果实成熟；（3）MeJA抑制PG、PL、PE等基因的表达，延缓细胞壁的降解；（4）MeJA通过调节生长素、ABA和JA信号传导，延缓果实生长发育，诱导抗病性；（5）MeJA通过调控MYB、bZIP、bHLH、C2H2、WRKY和LOB等转录因子的表达，调控参与抗寒诱导的基因。这些研究结果为深入了解外源MeJA介导的猕猴桃CI缓解机制和关键基因提供了理论依据。
本文图表均来自本文献
文献解读：赵婧如
编辑：赵婧如
校稿：赵沁雨
审核：马婷婷
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