發育過程中不同倍性西瓜果實番茄紅素合成 基因表達及內源激素合成差異的研究

豆峻嶺 袁平麗 趙勝杰 何楠 朱紅菊 高磊 姬萬麗 路緒強 劉文革

目的與意義：番茄紅素是一種強抗氧化劑，其抗氧作用是維生素E的100倍，西瓜中富含番茄紅素，而且西瓜果實中的番茄紅素鮮食即可被人體直接吸收而產生保健作用。有研究表明，三倍體無籽西瓜及同源四倍體西瓜的番茄紅素、瓜氨酸和維生素C等次生物質含量顯著高于其二倍體祖先。西瓜多倍體為什么會產生這些優勢？其多倍體優勢機制是什么？本研究通過對不同倍性西瓜果實發育不同時期番茄紅素的積累差異、合成酶基因的表達差異和不同基因劑量酶基因的轉錄調控差異以及與番茄紅素相關內源激素的積累差異進行分析，以期從基因表達水平上闡明多倍體西瓜高番茄紅素含量的分子機制。

材料與方法：以不同瓤色純合的同基因型不同倍性西瓜品種作為材料，二倍體（2n=2X=22）西瓜品種‘蜜枚（紅瓤）、‘黃枚（黃瓤）分別經人工誘導形成四倍體（4n=4X=44），然后再與各自的二倍體雜交形成純合的三倍體無籽西瓜品種‘蜜枚、‘黃枚（3n=3X=33）。從授粉后10 d開始采取果肉樣品，每次每個品種取3個長勢及坐瓜節位相近的果實，切開去籽后取果實中部瓜瓤樣品。單瓜采樣，每隔5 d采1次樣，直到果實過熟（授粉后40 d）。樣品分2份，1份將樣品勻漿成汁后保存于-20℃用于番茄紅素的測定，另1份液氮速凍后保存于-80℃用于RNA提取。每個瓜瓤樣品重復測定3次。以高效液相色譜（HPLC）法測定西瓜果實中番茄紅素含量。以實時熒光定量PCR法對番茄紅素合成基因（PSY， PDS， ZDS， CRTISO， LCYb）進行不同倍性不同發育時期的熒光定量分析。以ELISA（酶聯免疫吸附實驗）法測定果瓤中內源激素含量。

結果與分析：（1）黃瓤品種中番茄紅素一直維持在較低的水平。同一基因型不同倍性間的紅瓤品種番茄紅素含量表現為多倍體大于二倍體，在發育后期，紅瓤西瓜的番茄紅素含量都表現為三倍體大于四倍體，四倍體大于二倍體。（2）紅瓤西瓜在整個生長發育過程中PSY的表達量一直表現為四倍體>三倍體>二倍體，在授粉后25 d時各個倍性PSY的表達量都達到最大值，在所研究的5個基因中，PSY的表達量在各個生長發育期幾乎都是最高的，尤其在授粉后25 d，不同倍性間PSY的表達量遠遠高于其它基因。（3）在整個發育過程中，紅瓤西瓜PDS、ZDS、CRTISO的表達量幾乎都大于黃瓤西瓜，而PSY基因在黃瓤西瓜中的表達量較高，LCYb的表達量在發育前期表現為紅瓤大于黃瓤，發育后期黃瓤大于紅瓤。（4）在果實發育初期，IAA是5種激素中含量最高的，普通二倍體西瓜的生長期一般為35 d左右，到達過熟時二倍體和四倍體（授粉后40 d）IAA含量都有所降低，而三倍體中IAA含量卻有所升高。對于二倍體西瓜來說，幼果期， IAA、GA、ZR含量相對較高，而ABA含量較低，在后期ABA的含量一直維持在較高的水平。整體來說，果實發育前期，IAA和GA含量較高，ABA含量相對較低;到果實發育后期，IAA含量繼續增加、GA水平低落，而ABA含量再次上升，此時ABA的上升比GA下降所起的作用大。GA和番茄紅素的合成共用同一底物，GA的含量在不同倍性西瓜發育過程中呈現逐漸降低的趨勢，這和番茄紅素的積累呈負相關。

結? ? 論：（1）各基因的最高表達量都出現在授粉后25 d，說明授粉后25 d是番茄紅素積累的關鍵時期。（2）PSY和LCYb是西瓜果實番茄紅素積累的關鍵基因。（3）PSY、LCYb和CRTISO在紅瓤西瓜中表現為二倍體大于多倍體，黃瓤西瓜中表現為多倍體大于二倍體，我們推測不同倍性間番茄紅素含量的差異和瓤色有關，而這3個基因可能起著主導作用。（4）GA和番茄紅素合成共用同一底物，它們之間的負相關說明GA的積累和番茄紅素合成之間的關系較為密切。