果實中的糖積累不僅決定了甜度和風味,還影響了次生代謝和抗逆性能,是果實品質(zhì)和經(jīng)濟價值的核心要素。肉質(zhì)果實(葡萄、蘋果和番茄等)通過韌皮部篩管-伴胞復合體將光合葉片中的糖長距離運輸至漿果,并在漿果維管束韌皮部伴胞卸載,最終將糖貯存于中果皮細胞液泡中。
糖轉(zhuǎn)運蛋白介導果實糖積累。目前,不同類型糖轉(zhuǎn)運蛋白的功能已在多種植物的源器官(如葉片)中得到了較深入的研究,然而,果實中糖轉(zhuǎn)運蛋白參與糖積累的背后分子機制卻少有詳盡系統(tǒng)地解析,且果實發(fā)育過程中糖轉(zhuǎn)運蛋白的動態(tài)轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制也未見報道。葡萄(Vitis vinifera L.)作為一種全球重要的果樹經(jīng)濟作物,果實的高糖含量經(jīng)過數(shù)千年的馴化,不僅使其成為釀酒的理想原料,還可能使其成為探究植物碳匯能力的潛在模式器官。
國家植物園(南園)葡萄與葡萄酒科學研發(fā)團隊以葡萄為研究對象,深入探究了糖轉(zhuǎn)運蛋白VvSWEET15功能及其轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制,揭示了轉(zhuǎn)錄因子VvERF105和VvNAC72在漿果成熟過程中如何協(xié)同調(diào)控VvSWEET15的時空表達。研究表明,VvSWEET15在轉(zhuǎn)色(véraison)階段高度表達,促進己糖在漿果中的快速積累。VvERF105作為抑制因子,在轉(zhuǎn)色前結(jié)合啟動子上的LTR核心元件(CCGAAA),抑制VvSWEET15的表達,從而限制己糖積累;而VvNAC72則在轉(zhuǎn)色后通過結(jié)合啟動子中的CACATG元件激活VvSWEET15的表達,加速糖分積累。這種轉(zhuǎn)錄激活與抑制的動態(tài)平衡,精確地調(diào)控了葡萄果實的糖代謝,為高糖積累提供了保障。
轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控VvSWEET15表達響應葡萄果實己糖積累模型
團隊進一步利用葡萄果實的瞬時遺傳轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化番茄驗證VvSWEET15功能。不僅確認了VvSWEET15在促進葡萄糖和果糖積累中的關鍵作用,而且發(fā)現(xiàn)VvSWEET15的過表達顯著提高了番茄果實中葡萄糖和果糖含量,為VvSWEET15在多種作物中的應用奠定了基礎。同時外源葡萄糖和果糖處理明顯增強了VvSWEET15表達,表明糖水平可能反饋調(diào)節(jié)VvSWEET15基因的表達,優(yōu)化糖積累過程。此外,VvSWEET15在擬南芥、水稻和柑橘等模式植物和經(jīng)濟作物中的同源基因轉(zhuǎn)運蔗糖,而VvSWEET15在葡萄中主要轉(zhuǎn)運己糖,這一差異可能反映了SWEET家族基因在植物進化過程中功能的多樣化。
這項研究不僅為解析葡萄漿果中高己糖積累的機制提供了重要線索,也為果實品質(zhì)改良提供了理論依據(jù)。通過對轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子及糖運輸基因的精確調(diào)控,未來有望開發(fā)出高糖優(yōu)質(zhì)果實新品種,為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展提供新契機,也為開發(fā)適應性更強、品質(zhì)更高的作物品種開辟了新途徑。
相關成果于近日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊The Plant Cell上,國家植物園(南園)博士后陸麗珍為論文第一作者,梁振昌研究員為通訊作者。研究得到了國家自然科學基金、重點研發(fā)計劃等項目的資助。
葡萄與葡萄酒科學研發(fā)團隊
負責人:梁振昌研究員
郵箱:ZL249@ibcas.ac.cn
主要研究方向:
1. 葡萄種質(zhì)資源的收集與創(chuàng)制;
2. 葡萄新品種選育;
3. 果樹品質(zhì)與抗性遺傳調(diào)控機制解析;
4. 多年生果樹作物育種理論基礎與方法。
編輯 | 韓藝
審核 | 梁鵬鴻
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