禾稼春團隊再出新成果：蘋果血紅素合成關鍵基因鐵螯合酶編碼基因MdFC2作為正向調節因子參與ALA誘導的花青苷合成
2024-11-26 來自: 南京禾稼春生物科技有限公司 瀏覽次數:96
團隊研究新進展：
蘋果血紅素合成關鍵基因鐵螯合酶編碼基因MdFC2 作為正向調節因子參與ALA誘導的花青苷合成論文《MdFC2, a ferrochelatase gene, is a positive regulator of ALA-induced anthocyanin accumulation in apples》近日在期刊Journal of Plant Physiology在線發表。
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研究背景
5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一種新型植物生長調節物質，能夠促進多種果實花青苷合成。現有研究表明，MYB、WRKY、MADS、NAC、EFR等轉錄因子參與ALA誘導的蘋果花青苷合成。但是，ALA代謝本身是否參與果實花青苷積累過程，迄今還未見報道。為明確這一可能性，本研究通過遺傳學、藥物學和分子生物學手段研究揭示，ALA代謝至血紅素的鐵螯合酶編碼基因MdFC2在ALA誘導花青苷合成過程中發揮著重要作用。
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研究內容
1）蘋果MdFC2進化樹分析
在蘋果（Malus × domestica）基因組中，血紅素合成酶（FC）存在兩種亞型，即FC1和FC2。RT-qPCR結果顯示，ALA能顯著增強MdFC2的轉錄水平（圖1A）。為了深入理解不同物種FC基因的親緣關系，我們構建了一個包含11個物種的FC基因系統發育進化樹（圖1B）。結果顯示，這些物種FC均由兩個基因編碼。哺乳動物兩種FC蛋白均定位于線粒體，可分為亞型1和亞型2。在高等植物中，FC1是管家酶，負責包括質體和線粒體在內的整個細胞血紅素供應，而FC2則主要參與葉綠體光合機構血紅素合成。植物FC1與FC2之間的差別主要體現在N端和C端的氨基酸序列。在包括單子葉、雙子葉以及草本和木本植物在內的8種高等植物中，FC2的C端有超過80個氨基酸殘基相似度高達94.30%。在這高度保守區域中，有23個氨基酸殘基屬于類囊體膜光捕獲復合物（LHC），暗示著FC2蛋白除了螯合鐵離子生成血紅素外，還與葉綠體的吸光特性有關。這是FC1蛋白所不具備的。此外，亞細胞定位分析顯示，35S::MdFC2 的GFP信號與葉綠素分布一致，證實MdFC2是一種葉綠體蛋白（圖1C）。
蘋果FC表達對ALA的響應及其氨基酸序列結構與特征分析
2）ALA正向調控蘋果MdFC2的表達
光照條件下，蘋果葉片和愈傷細胞花青素含量上升，外源ALA處理進一步促進花青苷積累，而且ALA誘導的果皮花青素積累與MdFC2基因表達存在著正相關關系。將MdFC2啟始密碼子上游2000 bp啟動子序列克隆到GUS報告基因上游，瞬時轉化蘋果葉片，并用ALA處理。結果發現，ALA處理顯著提高MdFC2啟動子的轉錄活性，說明MdFC2表達受到ALA正調控（圖2）。
ALA正向調控蘋果MdFC2的表達
3）MdFC2介導ALA誘導的花青苷積累
為了解析MdFC2在ALA誘導的蘋果花青素積累中的功能，我們構建MdFC2過表達（OE-MdFC2）和干擾表達（RNAi-MdFC2）載體，經農桿菌瞬時轉化至蘋果果皮或葉片，或者穩定轉化至‘王林’蘋果愈傷組織。結果表明，OE-MdFC2顯著提高蘋果花青素含量，ALA具有協同增效作用；相反，RNAi-MdFC2導致蘋果花青素含量顯著降低，而ALA能緩解這種抑制效應，說明MdFC2是ALA誘導蘋果花青苷合成過程中的關鍵基因。
MdFC2參與ALA誘導蘋果花青苷的生物合成功能分析
4）DPD抑制ALA誘導的花青素積累
為了進一步驗證MdFC2在ALA誘導花青苷的過程中的作用，我們用2,2‘-二硫代二吡啶（DPD，一種鐵螯合酶活性抑制劑）處理蘋果葉片以及愈傷組織。結果顯示，與ALA單獨處理相比，無論哪個體系，DPD均能抑制花青苷積累。再次印證，MdFC2為ALA誘導蘋果花青苷積累所必需。
MdFC2參與ALA誘導蘋果花青苷的生物合成功能分析
綜上所述，我們報道血紅素合成關鍵基因MdFC2在ALA誘導的蘋果花青素積累中起到重要作用。外源ALA顯著促進MdFC2轉錄，后者進一步促進下游包括轉錄因子編碼基因（如MdMYB10、MdTTG1和MdMADS1）、花青苷生物合成結構基因（如MdCHS、MdF3H、MdDFR、MdANS和MdUFGT）以及轉運基因（如MdGSTF12和MdMATE8）表達。這些結果表明，ALA調節花青素積累可能涉及多個介入點以及多條信號傳導途徑。這為ALA促進蘋果花青素積累機制研究提供了新的視角。它不僅豐富了我們對蘋果花青素生物合成調控網絡的認識，也為ALA在果品生產上應用提供了新的理論依據。
作者及團隊簡介
論文作者為南京農業大學果樹學碩士研究生尹一凡，博士生張留孜和科研助理張建婷為共同作者，南京農業大學園藝學院汪良駒教授和仲巖副教授為通訊作者。
汪良駒教授是江蘇省植物生理學會植物生長物質與生長調控委員會主任。他于2000年起開始從事ALA在農林作物抗逆增產提質效應及其生物學基礎研究。其研發的產品“金村秋”、“禾稼春”和“秀果美”等已經大面積應用于20多個省市區農業生產區。其團隊先后獲得20多項政府專項資金資助，在國內外學術期刊發表與ALA有關研究論文100余篇，授權專利20余項，處于5-A農業領域研究前沿。本文是團隊成員相繼在Molecular Horticulture, Horticulture Research, Horticultural Plant Journal 等期刊發表論文后的又一新成果。
