梨CER基因调控果皮蜡质积累的分子机制研究

The cuticular wax of pear fruits plays important roles in diseases and pests resistance, reducing the mechanical damage, prevention of fruit cracking, retarding fruit softening, extending the storage period. To date, most of pear cultivars in China showed light wax trait and short storage period. In the previous study, we clarified that the alkanes and primary alcohols are the most important wax components of pear fruit, and found that the content of alkanes, primary alcohols and terpenoids are much higher in bagged fruits than that of non-bagged fruits. In this study, gene expression profile were screened through association analysis with wax metabolism data, combine with genes annotation, expression model and related metabolism pathway analysis, two candidate genes which control the wax synthesis in pear fruit were obtained, named PbrCER1and PbrCER2. The transformation and transient expression technologies will be used to verify the candidate gene functions. The upstream regulator of the two candidate genes will be identified through yeast one hybrid and dual-luciferase reporter system, which will further help to reveal the PbrCER network in the molecular regulation of pear fruit wax. The results will not only help to elucidate the key factors which control the wax formation of pear fruit and complete the theory of fruit development and regulation, but also help to promote the process of molecular breeding in waxy pear and provide necessary gene resources.

梨果皮蜡质在保护果实免受病虫侵害、机械损伤，防止果实开裂以及减缓果实软化、延长贮藏期等方面具有重要的作用。针对目前我国梨主要栽培品种果皮蜡质普遍偏少，不耐贮藏的产业实际问题，申请人在前期研究中明确了烷烃和初级醇等物质是梨主要蜡质组分，发现套袋果实蜡质总量及烷烃、初级醇和萜类物质明显高于不套袋果实。通过转录组及代谢组关联分析，结合基因注释、表达模式和相关代谢通路解析，筛选到参与梨果实蜡质合成的两个候选基因，PbrCER1和PbrCER2。本研究拟利用转基因及瞬时表达技术对PbrCER1和PbrCER2进行功能验证，通过酵母单杂技术和双荧光素酶报告系统筛选PbrCER1和PbrCER2的上游调控基因，构建PbrCER调控烷烃和初级醇等主要蜡质成分的信号网络，并为最终解释梨果皮蜡质形成的分子机制提供理论依据，也为推动梨果皮蜡质品质的定向遗传改良提供基因资源。

梨果皮蜡质在保护果实免受病虫侵害、机械损伤，防止果实开裂以及减缓果实软化、延长贮藏期等方面具有重要的作用。为了揭示梨果皮蜡质合成机制，本研究以玉露香梨为主要试验材料，研究了‘玉露香’梨果实发育过程中五个时期及套袋和不套袋果实表蜡质含量、组分及晶体结构变化，结合转录组测序筛选出参与梨果皮蜡质合成的重要基因，对PbrCER1(PbrKCS)进行了功能研究，主要结果如下：.通过对35份不同种质资源的成熟梨果实，对其表皮蜡质含量、成分及晶体结构进行检测，发现玉露香梨果皮蜡质含量较高。通过进一步选取‘玉露香’梨果实发育过程中五个时期及套袋和不套袋果实，利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）分析了其蜡质成分变化，利用扫描电镜技术研究了‘玉露香’梨果实蜡质发育过程中微观结构的变化，同时利用转录组测序技术对‘玉露香梨’花后20天、80天和140天及套袋和不套袋的5个样本进行了分析，证明了参与蜡质前体超长链脂肪酸合成通路基因ACC、KCR、LACS等，蜡质合成基因CER4、CER1、WSD和MAH等以及蜡质转运基因WBC11和CER5等存在差异表达，一些转录因子，包括MYB30，MYB41，MYB106，WIN1以及合成基因LGF1，CYTB5和CYP716A15等与蜡质不同组分存在较高的相关性。由于CER1是梨果实蜡质中超长链脂肪酸形成过程中的关键酶，并且在 RNA-seq 分析中证实了该基因存在差异表达，因此本研究利用同源克隆技术，从‘玉露香梨’果实中克隆到编码CER1的基因(与KCS基因编码序列高度同源)，命名为PbrKCS ，并发现外源表达可以显著提高拟南芥茎秆和叶片中蜡质组分含量，希望该研究能为进一步研究和利用 PbrKCS基因提供科学依据。.此外，针对不同试剂可能对梨果实蜡质合成的影响，我们利用棕榈酸、二十六烷酸、乙烯利和茉莉酸甲酯四种试剂处理三个梨品种‘丰水’、‘翠冠’和‘玉露香’的果实，检测其表皮蜡质的化学成分组成、晶体结构形态和相关基因的表达水平，发现200 μmol/L 1:1的棕榈酸、二十六烷酸混合溶液能够显著提高梨果实表皮蜡质含量，且梨果实蜡质晶体明显增多、变大、变厚 ，说明超长链脂肪酸处理能够有效提高梨叶片蜡质含量，改变蜡质组分。