气体分子H2S拮抗乙烯调节果实成熟衰老的信号机制研究

Ethylene plays a vital role in the maturation and senescence of fruits. Hydrogen sulfide (H2S) is new gaseous signaling molecule whose physiological functions in plants have attracted more and more attentions. In our previous study, H2S was proved to be an endogenous regulator in plant maturation and senescence and the role of H2S in delaying senescence and death is universal in plant kingdom. Recently, we found H2S effectively counteracted the physiological role of ethylene, thereby modulating the maturation and senescence of postharvest fruits, while the underlying mechanism is still obscure. Using the climacteric model fruits, kiwifruit and pear, this project focuses on ethylene biosynthesis and signaling pathway by examining how H2S regulates the key elements in ethylene pathway during fruit maturation and senescence. Then S-sulfhydrated proteins and the sulfhydrated Cys residues are screened and identified, meanwhile the physiological function of this modification is investigated. The differential gene expression patterns are also compared between H2S and ethylene treatments. Finally, the temporal and spatial changes involving the variation of H2S and ethylene levels, ethylene signaling pathway, S-sulfhydrated proteins and gene expression patterns are illustrated. This project will explore new functions of H2S, add more knowledge to ethylene pathway and also provide new clues to postharvest physiology and practical application.

乙烯在果实成熟和衰老进程中发挥着核心作用，硫化氢（H2S）是一种新型气体信号分子，其在植物中的生理功能也引起了人们越来越多的关注。前期我们证明H2S是植物成熟衰老的内源调控因子，其延迟植物衰老死亡的功能具有普遍性。最近我们发现，H2S拮抗乙烯介导了采后果实的成熟与衰老进程，而相关的作用机制尚不清晰。本课题拟以呼吸跃变型果实猕猴桃和梨子为研究对象，以乙烯生物合成和信号传递通路为研究核心，考查果实成熟衰老进程中H2S对乙烯信号通路中关键因子的调控方式；比较受H2S与乙烯调控的基因表达谱的差异；构建H2S与乙烯信号的消长、乙烯信号通路及基因表达的时空变化模式图，揭示H2S拮抗乙烯延缓果实成熟衰老的分子机理。本研究将为探索H2S的新功能，充实乙烯信号通路，且为果实采后生理研究及应用提供新的思路。

硫化氢（H2S）是生命体中新发现的一种新型气体信号分子，其在植物的生长发育过程中发挥重要作用。我们的研究结果表明，H2S是植物成熟衰老的内源调控因子，具有延缓采后果实的成熟衰老进程的生理功能。乙烯是一种公认的调节果实成熟和衰老的植物激素，而H2S对乙烯介导的果实成熟衰老过程的调控作用尚不清楚。本项目以呼吸跃变型果实猕猴桃和梨子为研究材料，研究了H2S对果实采后成熟衰老进程的生理作用，及其对乙烯信号通路的介导作用及调控模式。我们采用H2S供体与乙烯供体，设置不同组合处理采后猕猴桃和梨采后果实，通过各种生理生化与分子生物学手段，考查了H2S与乙烯信号的生物学效应及互作关系。乙烯显著加速果实的成熟衰老进程，而H2S明显延缓果实的成熟衰老和阻止乙烯的催熟效应；H2S可显著延缓可滴定酸（TA）、还原糖、可溶性蛋白质、淀粉及抗氧化物质抗坏血酸和类黄酮的降解。H2S显著抑制由C2H4介导的果实成熟衰老进程中超氧阴离子与过氧化氢等活性氧的积累，上调果实中抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性水平。与C2H4处理组相比，C2H4和H2S处理时H2S还可以保持较低的愈创木酚过氧化酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、脂氧合酶（LOX）、蛋白水解酶、淀粉酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性。H2S可下调ACC、ACO等乙烯合成酶基因的表达，下调ERS1a、ETR1、ETR2等乙烯受体基因的表达水平，从而延缓猕乙烯通路介导的猴桃和梨果实的衰老。研究还发现，在其他的采后果实和蔬菜材料，如西兰花、苹果、葡萄等，也发现H2S类似的调控机制，表明H2S延缓植物成熟衰老的功能具有普遍性。通过本项目的实施，我们探索H2S的新功能，揭示了H2S拮抗乙烯信号通路延缓果实成熟衰老的机制，研究成果为果实采后生理研究及应用提供新的思路。项目部分研究成果已在HortScience, Oxidative Medicine and Cellular Longevity等杂志上发表SCI论文5篇，申请国际专利一项，培养研究生7名，圆满完成各项任务指标。