己糖激酶在桃果实采后抗病反应中调控苯丙烷类代谢的作用机制

Peach is highly perishable due to fungal pathogens infection during postharvest storage and transportation. Our previous research showed that the glucose content and hexokinase (HXK) activity in peach fruit increased after Monilinia fructicola infection, with the enhancement of phenylpropanoid metabolism. HXK, which is an important glucose sensor, may play a vital role in regulating phenylpropanoid metabolism. We will verify the HXK-dependent signaling pathway in regulating phenylpropanoid metabolism by incubation of peach fruit tissue with glucose and its analogues or HXK inhibitor. Then the gene expression of HXKs in peaches infected by M. fructicola will be analyzed to identify which HXK gene participate in response to M. fructicola. The gene overexpression and silencing system of HXK, and postharvest treatment to activate and inhibit HXK activity would be used to reveal the role of HXK in phenylpropanoid metabolism and disease resistance in peach fruit. Our finding is benefit for understanding the role of HXK in defense response of peach fruit and provides further evidence for improving the induced disease resistance.

桃果实采后极易受到病原菌侵染，造成腐烂。前期研究发现，桃果实在响应褐腐菌侵染时，葡萄糖含量和己糖激酶（HXK）活性升高，苯丙烷类代谢增强。HXK作为重要的糖信号转导元件，在调控苯丙烷类代谢中可能发挥着重要的作用。本项目以“玉露”水蜜桃为研究对象，借助圆片温育法，通过葡萄糖、己糖类似物和HXK抑制剂处理，证实HXK可以感知糖信号从而调控苯丙烷类代谢；分析桃果实HXKs基因在褐腐菌侵染时的表达模式，筛选出响应病害的HXK基因，并在桃果实上建立基因过表达和沉默系统研究其调控苯丙烷类代谢和抗病性的作用机制；研究采后激活和抑制HXK处理对桃果实病害、可溶性糖、HXK和苯丙烷类代谢的影响，验证HXK调控桃果实的苯丙烷类代谢和抗病性的作用。本研究有望阐明HXK在桃果实应答病原菌侵染中的重要作用，为筛选提高果实采后抗病性的方法提供新的思路。

本研究表明桃果实感染Monilinia fructicola后，己糖激酶（hexokinase，HXK）活性上升，蔗糖减少、葡萄糖和果糖增加，苯丙烷类代谢关键酶PAL、C4H和4CL活性增强，总酚和总黄酮含量增加，相关性分析表明HXK活性与苯丙烷类代谢呈正相关，HXK参与了桃果实的采后抗病应答。葡萄糖温育桃果肉圆片能增强苯丙烷类代谢产物总酚和总黄酮含量，同时加入HXK抑制剂（N-乙酰葡糖胺），显著减少了总酚和总黄酮含量，说明桃果实中存在依赖HXK的信号转导途径调控苯丙烷类代谢。采后热处理桃果实激活了HXK，可以促进蔗糖的分解和苯丙烷类代谢，从而提高了果实的抗病性，减少病害的发生，反之，抑制HXK则减缓了蔗糖代谢，抑制了苯丙烷类代谢，减弱果实的抗病能力，加重病害的发生与发展。桃果实中克隆5条PpHXKs基因，包括PpHXK1-3和PpHKL1-2，连续两年的实验结果均表明PpHXK2是响应真菌病害胁迫的关键基因，PpHXK2定位在细胞质，其启动子序列中含有3个病害胁迫响应元件W-box。原核表达PpHXK2蛋白，其最适反应温度37 ℃、最适pH 8.0，能催化葡萄糖和果糖的磷酸化，不能催化甘露糖，对葡萄糖的亲和力大于果糖。不同的己糖温育桃果肉圆片，葡萄糖和果糖能促进总酚总黄酮的生成，甘露糖则不能，这与PpHXK2的催化特性一致，葡萄糖较果糖更容易被桃HXK催化磷酸化，有利于促进苯丙烷代谢产物的生成。进一步在桃果实上建立PpHXK2基因过表达和VIGS沉默系统，过表达PpHXK2基因能提高HXK活性，促进苯丙烷类代谢，VIGS抑制PpHXK2基因表达对HXK活性未造成显著影响。综上，HXK参与桃果实的采后抗病反应，可以调控糖代谢和苯丙烷类代谢，PpHXK2是参与抗病反应的关键HXK基因，这些发现丰富了桃果实的抗病应答相关机制，为筛选新的诱导抗病技术提供了新的研究思路。