番茄乙烯响应因子SlERF.E1在果实成熟过程中的功能及其调控机制研究

It has been widely recognized that ethylene plays a key role in the initiation and orchestration of ripening process of climacteric fruit. Ethylene Response Factors (ERFs) are downstream components of ethylene signaling and have been assigned a central role in mediating ethylene responses. Nevertheless, so far, little is known about the role and regulatory mechanism of ERF family members in fruit ripening. Our previous studies identified SlERF.E1, an ERF E subfamily member, as a putative key ripening-associated ERF gene in tomato. Preliminary studies showed that down-regulation of SlERF.E1 resulted in dramatic inhibition of fruit ripening in tomato, but the molecular mechanism of SlERF.E1 in controlling fruit ripening is yet to be elucidated. This project aims to investigate the role of SlERF.E1 in fruit ripening through integrated phenotypical, physiological, biochemical, and molecular analysis of the SlERF.E1 down-regulated lines. Moreover, to unravel the molecular mechanism of SlERF.E1 in controlling fruit ripening, the target genes of SlERF.E1 will be identified by integrated RNA-Seq, ChIP-Seq, EMSA and protoplast transient expression system. Moreover, reverse genetics approaches will be used to reveal the role of direct targets of SlERF.E1 in fruit ripening. The outcomes of this project are not only very important for revealing the function and molecular mechanisms of downstream components of ethylene signaling in controlling fruit ripening, but also valuable for unraveling the regulatory network involved in fleshy fruit ripening.

乙烯调控呼吸跃变型果实的成熟早已为人们所熟知，但至今对其信号途径下游乙烯响应因子（ERF）家族基因在果实成熟过程中的功能及其调控机制还知之甚少。我们前期研究发现番茄ERF E亚家族基因SlERF.E1是ERF家族中与果实成熟特异性相关基因。初步研究表明下调表达SlERF.E1导致果实成熟受到显著抑制，但目前对其调控果实成熟的分子机制尚不清楚。本项目拟通过遗传、生化及分子等手段深入研究SlERF.E1在果实成熟过程中的功能。同时，利用RNA-Seq、ChIP-Seq、EMSA以及原生质体瞬时表达体系等技术和方法鉴定SlERF.E1调控的靶基因，并通过反向遗传学的方法验证相关靶基因在果实成熟过程中的功能，深入阐明SlERF.E1调控果实成熟的分子机制。研究结果不仅对揭示乙烯信号下游转录因子在果实成熟过程中的生物学功能及其调控机制具有重要意义，同时也对阐明果实成熟调控网络具有重要作用。

植物激素乙烯是调控番茄等呼吸跃变型果实成熟和衰老的核心因子。位于乙烯信号下游的乙烯响应因子ERF多基因家族在介导乙烯信号响应方面发挥重要的作用，但目前对于ERF在果实成熟过程中的功能和调控机制还不清楚。我们前期研究通过表达分析发现乙烯响应因子ERF.E亚家族3个基因SlERF.E1，SlERF.E2，SlERF.E4在番茄果实成熟过程中特异性表达，且SlERF.E1作用于SlERF.E2和SlERF.E4的下游，推测SlERF.E1在果实成熟调控过程中发挥关键作用。为深入研究SlERF.E1的功能和调控机制，本项目首先构建SlERF.E1的超表达与CRISPR/Cas9介导的基因编辑材料。表型观察发现SlERF.E1超表达株系从开花到果实破色的时间提前5-7天，而基因编辑突变体中开花到破色时间显著推迟，这些结果表明SlERF.E1在果实成熟过程中发挥促进作用。进一步通过对乙烯产生、类胡罗卜素含量以及果实硬度等成熟指标的测定明确了SlERF.E1在色素合成和果实软化方面的调控功能。基因表达分析发现包括乙烯合成、色素代谢以及细胞壁降解等关键基因在SlERF.E1超表达和基因编辑果实中均受到调控。进一步通过转录激活和ChIP-qPCR等实验揭示了SlERF.E1通过直接调控果实成熟关键基因进而控制果实成熟软化的分子机制。该研究结果不仅对揭示乙烯信号下游转录因子在果实成熟过程中的生物学功能及其调控机制具有重要的意义，同时也为基于SlERF.E1调控的果实熟期调节和保鲜技术的研发提供了理论支撑。