多聚半乳糖醛酸酶基因表達與果實成熟

高曉銘，李艷梅，趙要尊，賈利軍，楊英軍（河南科技大學林學院，河南洛陽471003）

多聚半乳糖醛酸酶基因表達與果實成熟

高曉銘，李艷梅，趙要尊，賈利軍，楊英軍*
（河南科技大學林學院，河南洛陽471003）

多聚半乳糖醛酸酶（PG）是一種在植物細胞壁降解中起重要作用的酶。介紹了PG在果實成熟軟化中的作用，概述了PG基因及其表達調控，評述了乙烯對PG調控的影響。

多聚半乳糖醛酸酶；果實軟化；乙烯

果實成熟過程是一系列復雜生理生化反應發生的過程，包括色澤、質地、風味、呼吸速率、乙烯釋放和其他一些代謝的變化等。在這些變化中，果實質地主要影響果實品質和商品性，直接表現為果肉軟化和硬度下降，是果實采收和貯藏過程品質評估的重要指標，因此，探討果實軟化機理日益成為研究的熱點。20世紀60年代初，研究顯示，多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，PG）與果實軟化密切相關[1]；隨后研究表明，該酶是一種細胞壁結合蛋白，主要功能是將果實細胞壁中的多聚半乳糖醛酸降解為半乳糖和醛酸，使細胞壁結構解體，導致果實軟化[2]；隨著分子生物學技術在PG研究中的應用，人們對其有了更深入的認識。綜述近年來PG和果實成熟與果實軟化方面的研究進展，旨為相關研究提供更加全面的信息。

1　PG在果實成熟中的作用

果實成熟伴隨著細胞壁結構的改變。胞壁物質降解、果膠-纖維素-半纖維素結構破壞和原果膠分解，共同開啟了果實成熟軟化的總閘門，PG在細胞壁結構的改變中起重要作用，通過催化果膠分子的多聚半乳糖醛酸裂解而參與果膠的降解，進而促進果實軟化[3，4]，目前已經在番茄、蘋果、梨、獼猴桃、香蕉等研究上得到了證實，果實成熟軟化與PG活性增強直接相關。果膠物質也只有在PG活化后，才能變成可溶性物質[5]。

果實的成熟軟化是分階段的，在成熟前期，果實的軟化主要是由于多聚糖降解或纖維素微纖絲代謝引起了細胞間結合力下降；而成熟后期，PG則起更重要的作用。研究發現，在果實綠熟期，PG幾乎沒有活性；隨著果實發育，PG活性呈直線上升，當果實全紅時PG活性達到最高。但是含有成熟突變體的果實PG含量很低，果實變軟很慢或不能變軟。由此可知，PG含量越高，果實軟化程度越高，硬度越小[4，6]。在桃果實成熟軟化過程中，PG活性高峰與乙烯躍變高峰同時出現在成熟期[7]。轉PG反義基因番茄5個時期的PG活性動態變化結果表明，轉基因果的PG活性始終處于較低水平，PG活性只在全紅期被強烈抑制[8，9]。所有這些研究結果均表明，PG在果實成熟前期對果實的軟化基本不起作用，在果實成熟中后期對果實軟化作用明顯[3]。

雖然PG是果實成熟過程中導致細胞壁降解的主要水解酶，參與果膠降解，在果實軟化中起關鍵作用，但也有報道顯示，PG的作用并不是果實成熟軟化的唯一因素[3，7，10，11]。PG基因（PG）序列的獲得和反義RNA技術的應用為研究PG提供了最直接的證據。利用反義RNA技術研究果實成熟時，轉基因番茄中反義PG的過量表達雖然能抑制PG mRNA的積累和酶活性，使內切PG活性降低99%以上，但是阻止果實軟化的效果并不理想。由此可以推斷，引起果實軟化的因素很多，原因復雜，可能不只與果膠降解有關，很可能與降解細胞壁的所有酶都有關系[12]。也有研究表明，PG對于果實成熟軟化并不是必要的。國外對幾個甜瓜品種進行的研究結果顯示，在果實成熟軟化過程中并沒有PG的參與[13，14]。梁小娥等[15]報道，棗采后可溶性果膠不斷增加，原果膠不斷減少，可溶性果膠含量增加，但PG活性呈下降趨勢，說明果膠物質的變化也是鮮棗果肉軟化的原因之一。由于PG在果實成熟軟化中所起的作用尚未查明，所以PG的研究已成為國內研究熱點。

2　PG的調控表達差異和多態性

PG的功能差異與多態性表現是在長期進化中形成的，并與其結構有密切關系。研究表明，在植物不同發育階段和不同組織中PG是由多基因家族編碼表達，植物發育每一階段中的細胞壁修飾都與PG表達情況有關，同時有一系列定位于細胞壁的酶共同參與。目前，已經從番茄、桃、蘋果、梨、香蕉、李、杏、葡萄、草莓、鱷梨、柿、橙、番木瓜等果實中分離出了大量與果實成熟軟化相關的PG[16]（NCBI數據），對PG在各種果實中的表達研究也有較多報道[3]。不同的PG在果實軟化過程中的表達模式和時空表達特性不同。在表達模式方面，桃的PG（X76735和DQ340809）在溶質桃果實軟化過程中表達量顯著增加，另外一些PG（AB231902和X77231）在溶質桃和硬肉桃中表達量卻很少[17，18]；孟憲橋[19]進一步發現桃PG在品種中存在多態性，并且引起成熟后不同品種果實硬度或質地差異是PG序列中堿基T的重復數不同、不同水解酶基因表達與調控的差異所導致。謝讓金[20]進一步從山桃、甘肅桃、光核桃的品種中發現了85個PG的SNPs，表明該基因在演化過程中存在豐富的單核苷酸多態性。類似的研究結果也在西洋梨中存在[21]。在時空表達特性方面，不同基因家族成員編碼的酶存在生物學性質上的差異，如分解特異性、基質特異性、氨基酸順序的差異性，同時也存在一些高度保守的區域[22]。魏瀟等[23]分析認為，引起PG功能差異的原因就是基因結構（包括啟動子、內含子和編碼區）變異和進化。

3　PG作用與乙烯的相關性

乙烯和PG都是果實成熟過程中關鍵的調節因子，研究表明，PG的表達與乙烯的調控作用有關[24，25]。在番茄果實成熟過程中乙烯含量的增加與PG合成的動力學研究結果表明，乙烯含量的增加較PG合成早約20 h，對成熟的番茄綠果實施用外源乙烯可激發PG的合成，而將果實置于低乙烯的環境中，則延遲果實成熟和PG合成。由此可見，乙烯合成早于PG的產生，乙烯間接地激發PG的合成[10，26，27]。近年來的研究發現，二者之間還存在著復雜的反饋調節作用，如在乙烯合成受阻的突變體番茄Nr中，PG mRNA和PG的水平極低，乙烯作用抑制劑可以抑制PG mRNA的積累。在反義ACC和反義EFE轉基因番茄果實中，乙烯合成受到抑制，PG mRNA仍能大量積累，而PG合成受阻，表明PG mRNA的轉錄不受乙烯的影響，而翻譯會受到乙烯的調控。但Sitrit等[25]認為，PG對乙烯非常敏感，能對非常低的乙烯水平產生反應，轉反義ACS番茄果實產生的極微量乙烯已足夠誘導PG mRNA的積累。寇曉虹等[26，27]研究顯示，PG的轉錄和翻譯都受乙烯的調控，在乙烯缺陷型番茄（轉反義ACS）中PG mRNA表達水平降低了50%以上，并且表達高峰推后10 d左右，表明乙烯與PG之間存在互作的反饋調節作用關系，認為存在共同的控制元件。在果樹上的研究也有類似結果。Wang等[29]認為，獼猴桃果實中PG表達與乙烯生成有密切關系。黃森等[30]研究表明，乙烯吸收劑處理能抑制火柿果實PG的活性，延緩果實硬度的下降速率。闞娟等[7]測定不同成熟時期雨花桃果實乙烯釋放量和PG活性的變化，發現果實在成熟軟化過程中具有明顯的乙烯躍變高峰，PG活性高峰與乙烯釋放高峰同時出現于成熟度的后期，可見PG對乙烯生物合成和信號轉導存在反饋調節。也有研究表明，即使乙烯合成受到抑制，PG mRNA仍大量積累，但未檢測到PG活性，表明mRNA的轉錄不受乙烯調控。Tacken等[31]發現，endo-PG的表達受到乙烯和低溫的誘導與調控。可以看出，PG活性和作用與乙烯的相關關系復雜。除了乙烯外，在果實成熟衰老過程中，還有其他激素影響著PG活性，如ABA、多胺、生長素、赤霉素和細胞分裂素也起著重要的調控作用[3，32]。

4　結語

PG是引起果實成熟與軟化的主要因素之一。近年來，PG克隆與調控等相關研究日益成為果實貯藏研究的重點，許多學者進行了大量探討并取得了一些重要進展。人們可以通過反義基因技術特異性抑制果實成熟后PG的表達，創制優異種質。如陳鑫[36]運用基因克隆技術獲得桃PG全序列，并構建了其植物表達載體；郭國寧[37]克隆桃PG的啟動子，對該啟動子序列進行分析，并在此基礎上構建了反義載體。這些研究為下一步研究基因功能、獲得耐儲性新種質提供了重要的理論依據。

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Recent Advance on the Ralationship between Fruit Ripening and Polygalacturonase Gene

GAO Xiao-ming，LI Yan-mei，ZHAO Yao-zun，JIA Li-jun，YANG Ying-jun*
（College of forestry，He憶nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

Polygalacturonase is a major enzyme responsible for cell wall disassembly in plants.We intro原duced the role of polygalacturonase in fruit ripening，polygalacturonase gene and its modification，the reg原ulation of fruit po1ygalacturonase by ethylene.

Polygalacturonase；Fruit softening；Ethylene

S66

A

1008-1631（2016）02-0051-04

2015-09-14

河南省教育廳重點資助項目（13A210873）

高曉銘（1990-），河南南樂人，碩士研究生在讀，主要從事果樹生物技術育種研究。E-mail：1101783135@qq.com。

楊英軍（1968-），河南孟津人，教授，博士，主要從事園藝植物種質資源研究。