彭玉嬌 ,宋芳菲 ,李美欣 ,邵元元 ,崔學(xué)宇 *,胡 林 ,譚夢(mèng)超 ,阮紅燕 ,區(qū)燕麗
(1.南寧師范大學(xué)廣西地標(biāo)作物大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心,南寧 530001;2.南寧師范大學(xué)北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530001;3.南寧師范大學(xué)廣西地表過(guò)程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530001;4.容縣土肥植保經(jīng)作站,廣西 容縣 537500)
沙田柚(Citrus maxima(Burm.)Merr.cv.Shatian Yu.)是一種重要的柚類品種[1-2],具有果實(shí)碩大、風(fēng)味清香、采后耐存儲(chǔ)(采后可存儲(chǔ)4~6個(gè)月)的特點(diǎn)[3-5],被譽(yù)為“天然的水果罐頭”[6]。沙田柚采后隨著保存時(shí)間的延長(zhǎng),品質(zhì)發(fā)生了變化,對(duì)4℃和室溫保存的沙田柚研究發(fā)現(xiàn),存儲(chǔ)40 d后,沙田柚可溶性固形物含量均顯著增加,對(duì)沙田柚果實(shí)采后檸檬酸的研究發(fā)現(xiàn),采后75 d內(nèi)檸檬酸含量均高于剛采摘時(shí),蘋果酸含量則先增加后降低[7-9],但引起其發(fā)生變化的機(jī)制仍不清晰。AP2/ERF類轉(zhuǎn)錄因子(Apetala2/Ethylene response factor)含有保守的ERF結(jié)構(gòu)域,該類轉(zhuǎn)錄因子可以參與到果實(shí)品質(zhì)的調(diào)控[10]。枇杷中的研究表明,EjAP2-1基因[11]可以減輕冷害對(duì)采后枇杷的木質(zhì)化作用;黃瓜中的研究表明,CsERF025基因通過(guò)影響乙烯的生物合成,影響了黃瓜的果實(shí)的彎曲[12];番茄中的研究表明,AP2a類轉(zhuǎn)錄因子可以影響該果實(shí)的性狀以及類胡蘿卜素的積累[13];香蕉中研究發(fā)現(xiàn),MaERF9是一種轉(zhuǎn)錄激活因子,可以參與到香蕉香氣的形成過(guò)程[14];獼猴桃中的研究發(fā)現(xiàn),ERF轉(zhuǎn)錄因子參與到果實(shí)的成熟過(guò)程中[15]。果實(shí)中的研究均表明AP2/ERF類轉(zhuǎn)錄因子影響了其采后的品質(zhì),是關(guān)鍵的作用因子之一,但該類轉(zhuǎn)錄因子在沙田柚果實(shí)中如何影響采后品質(zhì)依然未知。本研究首先對(duì)采后沙田柚的糖、酸等生理指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定,而后利用生物信息學(xué)的方法鑒定AP2/ERF類轉(zhuǎn)錄因子家族成員,同時(shí)利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和實(shí)時(shí)定量PCR的方法,對(duì)沙田柚采后AP2/ERF基因的表達(dá)動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析,為研究柚采后品質(zhì)變化可能的發(fā)生機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
利用轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫(kù)(plntfdb,PlantTFDB)下載已知的擬南芥和水稻AP2/ERF序列,作為探針序列進(jìn)行Blast搜索候選基因,分別在網(wǎng)站https://www.citrusgenomedb.org、http://citrus.hzau.edu.cn/orange/、http://citrus.hzau.edu.cn/orange/和 http://citrus.hzau.edu.cn/orange/中下載甜橙(Citrus sinensis)、橘子(Cit?rus reticulata)、香櫞(Citrus medica)和柚(Citrus maxima)的基因組序列。
統(tǒng)計(jì)利用PFAM數(shù)據(jù)庫(kù)下載AP2 domain(PF00847),分 別 使 用 blastp(evalue 1e-3)和hmmsearch(默認(rèn)參數(shù))掃描4個(gè)Citrus物種全部候選基因,并將候選基因合并,利用CDD和SMART在線服務(wù)對(duì)候選基因進(jìn)行驗(yàn)證,將無(wú)對(duì)應(yīng)mootif的序列排除,得到最終目標(biāo)序列。
利用mafft v.7.427默認(rèn)參數(shù)對(duì)AP2/ERF基因氨基酸序列進(jìn)行多序列對(duì)比;使用ProtTest v.3.4.2選擇ML進(jìn)化樹(shù)最佳進(jìn)化模型,最終JTT+I+G+F被選為最佳進(jìn)化模型,用于后續(xù)進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建;使用RAxML v.8.2.12軟件構(gòu)建序列最大似然法進(jìn)化樹(shù);進(jìn)化樹(shù)可視化使用在線工具iTOL完成?;蛉旧w分布、基因結(jié)構(gòu)信息來(lái)源于基因組測(cè)序注釋GTF文件,蛋白序列motif分布來(lái)源于SMART數(shù)據(jù)庫(kù)。
2019年11月沙田柚成熟后取樣,取樣地點(diǎn)為廣西容縣“五一柚場(chǎng)”,而后利用容縣沙田柚分揀中心篩選機(jī)對(duì)其進(jìn)行初步篩選,取等重(1 kg)、可溶性固形物達(dá)到12%的沙田柚12個(gè),分為4組室溫(20 ℃)保存(每組3個(gè)),保存時(shí)間分別為0、20、40和60 d。對(duì)4組沙田柚進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序委托北京諾禾致源生物信息科技有限公司完成,果肉取樣及分析方法參考我們前期文章[16]。
沙田柚采后生理指標(biāo)測(cè)試方法參考我們前期文章[17],利用電子天平稱量果實(shí)重量;利用手持糖度儀測(cè)定沙田柚可溶性固形物含量;VC、蘋果酸和檸檬酸利用HPLC法測(cè)試,測(cè)試委托齊一生物科技(上海)有限公司完成;蔗糖、果糖和葡萄糖利用分光光度法進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)所需試劑盒生產(chǎn)商為齊一生物科技(上海)有限公司。
沙田柚可溶性固形物增加率=(保存后可溶性固形物-剛采摘時(shí)可溶性固形物)/剛采摘時(shí)可溶性固形物值×100%
沙田柚果實(shí)失重率=(剛采摘時(shí)重量-保存后重量)/剛采摘時(shí)重量×100%
2020年,根據(jù)轉(zhuǎn)錄組表達(dá)數(shù)據(jù),挑選與剛采摘相比均發(fā)生顯著差異表達(dá)的9個(gè)基因設(shè)計(jì)引物,利用Actin基因作為內(nèi)參進(jìn)行實(shí)時(shí)定量PCR分析,引物序列見(jiàn)表1,測(cè)試委托北京百邁客生物科技有限公司完成。
表1 實(shí)時(shí)定量PCR引物序列Table 1 Primer sequences of quantitative RT-PCR
經(jīng)過(guò)分揀中心篩選,剛采摘沙田柚的可溶性固形物值為(12.1±0.26)%,證明初篩結(jié)果可靠。由表2可知,沙田柚可溶性固形物值隨著保存時(shí)間延長(zhǎng)而增加,果實(shí)質(zhì)量隨著保存時(shí)間延長(zhǎng)而降低。由表可知,兩組數(shù)據(jù)上升趨勢(shì)并不一致,采后保存40~60 d是可溶性固形物變化最大的階段。證明了沙田柚采后可溶性固形物的變化不是一個(gè)果實(shí)簡(jiǎn)單失水的過(guò)程,存在著復(fù)雜的生理生化變化。
表2 不同保存時(shí)間果實(shí)失重率和可溶性固形物增加率Table 2 The weight loss and soluble solid increases rate at different storage
沙田柚采后總酸、檸檬酸、蘋果酸和VC的變化見(jiàn)表。由表3可知,隨著保存時(shí)間的延長(zhǎng),沙田柚采后總酸、檸檬酸和VC的含量均出現(xiàn)上升的趨勢(shì),蘋果酸含量無(wú)顯著差異。
表3 不同保存時(shí)間酸的變化Table 3 The acid content in pomelo at different storage
沙田柚采后蔗糖、果糖和葡萄糖含量的變化見(jiàn)表。由表4可知,隨著采后保存的時(shí)間延長(zhǎng),沙田柚蔗糖含量呈下降趨勢(shì),葡萄糖和果糖的含量呈上升趨勢(shì)。
表4 不同保存時(shí)間糖的變化Table 4 The sugar content in pomelo at different storage mg·g-1
利用擬南芥和水稻的AP2/ERF序列作為探針,在柚中發(fā)現(xiàn)128個(gè)目標(biāo)序列。柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子包括107個(gè)ERF基因、16個(gè)AP2基因、4個(gè)RAV基因和1個(gè)獨(dú)立基因,根據(jù)其染色體位置對(duì)目標(biāo)基因命名,分別對(duì)其命名為CgERF1~CgERF107、CgAP2.1~CgAP2.16、CgRAV1~CgRAV4和CgSoloist1(表5)。對(duì)AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子的理化性質(zhì)進(jìn)行分析,柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸數(shù)量在125(CgERF61)~803(CgERF56)個(gè)之間,分子量在 14 324.87 kD(CgERF61)~88 835.89 kD(CgERF56)之間,等電點(diǎn)在4.71(CgERF84、CgERF5和CgERF36)~11.24(CgERF72)之間。
表5 柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族信息Table 5 The information of AP2/ERF transcription factor family in pomelo
(續(xù) 表5)
(續(xù) 表5)
對(duì)柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子在染色體上的分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),127個(gè)柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子分布在柚的9條染色體上,基因CgERF107沒(méi)能定位,分布圖如圖1所示。由圖可知,柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子在5號(hào)染色體分布的最多,有40個(gè)(CgERF3 8~CgERF76和CgSoloist1,28.3%),分布在8號(hào)染色體的最少,只有 3個(gè)(CgERF87、CgERF88和CgAP2.14),AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子在柚染色體上分布并不均勻。
圖1 柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子染色體結(jié)構(gòu)定位Figure1 Chromosomal structure localization of AP2/ERF transcription factor in pomelo
柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子基因結(jié)構(gòu)和進(jìn)化樹(shù)如圖所示。由圖2可知,AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子外顯子數(shù)在1~10個(gè)之間,內(nèi)含子數(shù)在0~4個(gè)之間,基因長(zhǎng)度差異較大,證明柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子在進(jìn)化的過(guò)程中變異較大。AP2/ERF蛋白包含1~2個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域,除了共有保守的AP2結(jié)構(gòu)域外,有3個(gè)RAV基因有保守的B3結(jié)構(gòu)域,2個(gè)ERF基因包含coiled-coil結(jié)構(gòu)域,1個(gè)ERF基因包含F(xiàn)-BAR結(jié)構(gòu)域。
圖2 柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族進(jìn)化樹(shù)與基因結(jié)構(gòu)Figure 2 Phylogenetic tree and gene structure of AP2/ERF transcription factor in pomelo
本研究對(duì)沙田柚采后室溫保存進(jìn)行果肉轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,在4個(gè)時(shí)間點(diǎn)取樣進(jìn)行基因表達(dá)分析,合計(jì)得到差異表達(dá)的AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子基因63個(gè),和剛采摘相比,得到顯著差異表達(dá)基因42個(gè),如圖3 Venn圖所示。其中9個(gè)基因在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)中均存在差異表達(dá),3個(gè)基因在20和60 d兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)差異表達(dá),5個(gè)基因在40和60 d兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)差異表達(dá)。
圖3 采后保存柚差異表達(dá)AP2/ERF基因的Venn展示Figure 3 Venn diagram of AP2/ERF gene expression level with significant differential expression of pomelo after harvest
針對(duì)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析得到的差異表達(dá)基因,進(jìn)行基因表達(dá)分析,采后表達(dá)熱圖如圖4所示,在采后不同時(shí)期,該家族基因表達(dá)差異較大,根據(jù)其表達(dá)可以將其分為四類。第一類為剛采摘時(shí)表達(dá)量較高,如CgERF95、CgAP2.6和CgERF11等基因,該類基因合計(jì)21個(gè);第二類為采后保存20 d表達(dá)量較高,如CgAP2.15、CgERF100和CgERF96等,該類基因合計(jì)7個(gè);第三類為采后0、20 d低表達(dá),采后40、60 d高表達(dá)的基因,如CgERF2、CgERF30和CgERF45等,這類基因合計(jì)7個(gè),第四類為采后60 d高表達(dá)的基因,如CgAP2.10、CgERF106和CgERF104等,該類基因合計(jì)28個(gè)。
圖4 采后保存柚AP2/ERF基因的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)熱圖Figure 4 Heatmap of transcriptome data of AP2/ERF gene in different stages after harvest
根據(jù)前期轉(zhuǎn)錄組的結(jié)果,挑選與剛采摘相比發(fā)生顯著差異表達(dá)的9個(gè)基因,這些基因包括采后均顯著上調(diào)的基因 CgAP2.10、CgERF1、CgERF63、CgERF45和CgERF70;均顯著下調(diào)的基因CgERF89、CgERF39、CgERF93 和 CgERF22。對(duì)其進(jìn)行了實(shí)時(shí)定量PCR驗(yàn)證,結(jié)果如圖5所示,實(shí)時(shí)定量結(jié)果與轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果趨勢(shì)一致,證明轉(zhuǎn)錄組結(jié)果真實(shí)可靠。結(jié)果表明CgERF39表達(dá)量持續(xù)降低,CgERF1、CgERF63和CgERF45表達(dá)量持續(xù)升高,這些基因可能是沙田柚采后品質(zhì)發(fā)生變化的關(guān)鍵基因。
圖5 沙田柚采后顯著差異表達(dá)的AP2/ERF基因表達(dá)量分析Figure 5 Analysis of AP2/ERF gene expression level with significant differential expression of pomelo after harvest
沙田柚是我國(guó)栽培面積最大、產(chǎn)量最高的柚類品種。作為柑橘類中耐存儲(chǔ)的品種,沙田柚采收后作為一個(gè)獨(dú)立的代謝系統(tǒng),可溶性固形物、糖類、有機(jī)酸和維生素等營(yíng)養(yǎng)成分決定了采收后的果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)[18-19],隨著對(duì)沙田柚采摘后品質(zhì)的分析發(fā)現(xiàn),隨著保存時(shí)間的延長(zhǎng)沙田柚的品質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著的變化。劉萍等[20]研究發(fā)現(xiàn):沙田柚在室溫保存20 d時(shí)失重率為20%,保存90 d以內(nèi)可溶性固形物含量上升、抗壞血酸含量和有機(jī)酸含量先下降后上升;在本研究中我們發(fā)現(xiàn):沙田柚在室溫貯藏60 d內(nèi)可溶性固形物含量、果實(shí)失重率、總酸、檸檬酸和VC的含量均出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。但是,蘋果酸含量無(wú)顯
著差異。糖度是決定沙田柚品質(zhì)的重要指標(biāo),在果實(shí)成熟的后期,蔗糖可以被分解為葡萄糖和果糖,提高沙田柚的口感和風(fēng)味[21]。與之前的研究一致,本研究中我們發(fā)現(xiàn)沙田柚采后隨著貯藏時(shí)間的不斷增長(zhǎng),蔗糖含量逐漸下降,而葡萄糖和果糖含量則不斷上升。以上研究表明,貯藏后可溶性固形物、糖類和有機(jī)酸的改變影響沙田柚的品質(zhì),但是其調(diào)控的機(jī)制尚不清楚。
乙烯響應(yīng)因子(AP2/ERF)轉(zhuǎn)錄因子家族是一類廣泛存在于植物中的轉(zhuǎn)錄因子,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、次生代謝過(guò)程和植物的抗脅迫能力具有重要的調(diào)控作用[22-23]。同樣,研究發(fā)現(xiàn)AP2/ERF家族在果實(shí)的發(fā)育和品質(zhì)的調(diào)控過(guò)程中起重要作用[24-25]。Liu M.等[26]發(fā)現(xiàn)在番茄基因組中存在的77個(gè)ERF,其中27個(gè)在成熟開(kāi)始時(shí)表達(dá)增強(qiáng),而28個(gè)ERF基因的表達(dá)隨著果實(shí)的成熟表達(dá)量減少,這表明不同的ERF在果實(shí)成熟中可能具有截然不同的作用;Fan Z.Q.等[27]鑒定了一個(gè)帶有EAR基序的DREB的轉(zhuǎn)錄因子MaDEAR1,研究發(fā)現(xiàn)MaDEAR1可以作為細(xì)胞壁修飾基因的轉(zhuǎn)錄抑制因子抑制乙烯介導(dǎo)的香蕉果實(shí)成熟。所以,探究并挖掘AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族及其關(guān)鍵的基因在沙田柚果實(shí)品質(zhì)中的影響具有重要的意義。在本研究中,我們通過(guò)生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)在沙田柚中共鑒定獲得128個(gè)AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子,分布于柚的9條染色體上,其中包括107個(gè)ERF基因,16個(gè)AP2基因,4個(gè)RAV基因和1個(gè)獨(dú)立的基因。在本研究中我們鑒定的AP2/ERF基因的總數(shù)低于擬南芥(145)、水稻(167)、番茄(146)、葡萄(132)、胡蘿卜(267)和毛果楊(200)中AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子的數(shù)量[28-30]。但是,該數(shù)量大于T.M.Ito等[31]在甜橙中發(fā)現(xiàn)的108個(gè)AP2/ERF基因?;蛑貜?fù)在基因家族擴(kuò)展和串聯(lián)重復(fù)產(chǎn)生的基因簇或熱點(diǎn)區(qū)域中具有重要作用[32],片段重復(fù)產(chǎn)生同源基因,從而擴(kuò)大基因家族的總基因數(shù)[33]。所以,我們推測(cè)這種在不同種屬中基因數(shù)目的差異可能是沙田柚AP2/ERF基因進(jìn)化和復(fù)制造成的。
系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和保守結(jié)構(gòu)域的分析有助于對(duì)AP2/ERF基因進(jìn)行聚類分析。聚類分析發(fā)現(xiàn)AP2/ERF蛋白包含1~2個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域,除了共有保守的AP2結(jié)構(gòu)域外,有3個(gè)RAV基因有保守的B3結(jié)構(gòu)域,2個(gè)ERF基因包含coiled-coil結(jié)構(gòu)域,1個(gè)ERF基因包含F(xiàn)-BAR結(jié)構(gòu)域。這一研究結(jié)果與在其他物種的研究結(jié)果類似[34-35],表明AP2/ERF家族基因在進(jìn)化中體現(xiàn)出巨大的差異性。這一結(jié)果同樣在基因結(jié)構(gòu)中得到驗(yàn)證?;蚪Y(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)P2/ERF轉(zhuǎn)錄因子外顯子數(shù)在1~10個(gè)之間,內(nèi)含子數(shù)在0~4個(gè)之間,基因長(zhǎng)度差異較大,證明柚AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子在進(jìn)化的過(guò)程中變異較大。但是,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)同一亞群中的基因具有相似的基因結(jié)構(gòu),表明這些基因具有相似的基因功能。
AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子作為乙烯信號(hào)通路中的最終目的基因,可通過(guò)調(diào)控各種下游靶基因的表達(dá)來(lái)參與植物整個(gè)生命周期的生長(zhǎng)發(fā)育和各種逆境脅迫。越來(lái)越多的研究表明AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控果實(shí)的品質(zhì)中起到?jīng)Q定性的作用,比如果實(shí)成熟軟化、果實(shí)色澤、果實(shí)風(fēng)味和果實(shí)芳香[25]。宋麗等[36]研究發(fā)現(xiàn)AP2/ERF基因家族影響了板栗糖的物質(zhì)積累。T.M.Ito等[31]研究發(fā)現(xiàn)在擬南芥中過(guò)表達(dá)CitERF13或AtERF17導(dǎo)致檸檬酸顯著積累。為了進(jìn)一步挖掘在沙田柚貯藏過(guò)程中對(duì)果實(shí)風(fēng)味的調(diào)控起重要作用的AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子,對(duì)沙田柚采后室溫保存20、40和60 d的果實(shí)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析。經(jīng)過(guò)差異表達(dá)分析共得到63個(gè)差異表達(dá)的AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子,這些差異表達(dá)的基因同樣得到了qRT-PCR的驗(yàn)證,表明轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的準(zhǔn)確性。根據(jù)其表達(dá)分為四類,第一類(21個(gè)),為剛采摘時(shí)表達(dá)量較高,包括CgERF95、CgAP2.6和CgERF11等基因;第二類(7個(gè))為采后保存20 d表達(dá)量較高,包括CgAP2.15、CgERF100和CgERF96等;第三類(7個(gè))為采后0、20 d低表達(dá),采后40、60 d高表達(dá)的基因,包括CgERF2、CgERF30和CgERF45等;第四類(28個(gè))為采后60 d高表達(dá)的基因,包括CgAP2.10、CgERF106和CgERF104等。以上研究表明不同的AP2/ERF基因影響沙田柚不同貯藏時(shí)期的品質(zhì)。AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子不同的表達(dá)模式的分析有助于深入了解不同AP2/ERF基因在沙田柚不同貯藏時(shí)間品質(zhì)中的作用,將有助于進(jìn)一步研究沙田柚品質(zhì)的調(diào)控機(jī)制。但是,這些基因如何調(diào)控沙田柚采后的哪些品質(zhì)需要進(jìn)一步深入的研究。
本研究對(duì)沙田柚采后品質(zhì)研究發(fā)現(xiàn),總酸、檸檬酸和VC的含量均出現(xiàn)上升的趨勢(shì),蘋果酸含量無(wú)顯著變化,蔗糖含量呈下降趨勢(shì),葡萄糖和果糖的含量呈上升趨勢(shì);在柚的9條染色體上鑒定到了127個(gè)AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子,這些轉(zhuǎn)錄因子包括107個(gè)ERF基因、16個(gè)AP2基因、4個(gè)RAV基因和1個(gè)獨(dú)立基因;在沙田柚采后保存過(guò)程中,4個(gè)基因的表達(dá)持續(xù)發(fā)生變化,可能是影響沙田柚采后品質(zhì)的重要AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子。
四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2022年2期