多聚半乳糖醛酸酶基因表达与果实成熟

高晓铭，李艳梅，赵要尊，贾利军，杨英军（河南科技大学林学院，河南洛阳471003）

多聚半乳糖醛酸酶基因表达与果实成熟

高晓铭，李艳梅，赵要尊，贾利军，杨英军*
（河南科技大学林学院，河南洛阳471003）

多聚半乳糖醛酸酶（PG）是一种在植物细胞壁降解中起重要作用的酶。介绍了PG在果实成熟软化中的作用，概述了PG基因及其表达调控，评述了乙烯对PG调控的影响。

多聚半乳糖醛酸酶；果实软化；乙烯

果实成熟过程是一系列复杂生理生化反应发生的过程，包括色泽、质地、风味、呼吸速率、乙烯释放和其他一些代谢的变化等。在这些变化中，果实质地主要影响果实品质和商品性，直接表现为果肉软化和硬度下降，是果实采收和贮藏过程品质评估的重要指标，因此，探讨果实软化机理日益成为研究的热点。20世纪60年代初，研究显示，多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，PG）与果实软化密切相关[1]；随后研究表明，该酶是一种细胞壁结合蛋白，主要功能是将果实细胞壁中的多聚半乳糖醛酸降解为半乳糖和醛酸，使细胞壁结构解体，导致果实软化[2]；随着分子生物学技术在PG研究中的应用，人们对其有了更深入的认识。综述近年来PG和果实成熟与果实软化方面的研究进展，旨为相关研究提供更加全面的信息。

1　PG在果实成熟中的作用

果实成熟伴随着细胞壁结构的改变。胞壁物质降解、果胶-纤维素-半纤维素结构破坏和原果胶分解，共同开启了果实成熟软化的总闸门，PG在细胞壁结构的改变中起重要作用，通过催化果胶分子的多聚半乳糖醛酸裂解而参与果胶的降解，进而促进果实软化[3，4]，目前已经在番茄、苹果、梨、猕猴桃、香蕉等研究上得到了证实，果实成熟软化与PG活性增强直接相关。果胶物质也只有在PG活化后，才能变成可溶性物质[5]。

果实的成熟软化是分阶段的，在成熟前期，果实的软化主要是由于多聚糖降解或纤维素微纤丝代谢引起了细胞间结合力下降；而成熟后期，PG则起更重要的作用。研究发现，在果实绿熟期，PG几乎没有活性；随着果实发育，PG活性呈直线上升，当果实全红时PG活性达到最高。但是含有成熟突变体的果实PG含量很低，果实变软很慢或不能变软。由此可知，PG含量越高，果实软化程度越高，硬度越小[4，6]。在桃果实成熟软化过程中，PG活性高峰与乙烯跃变高峰同时出现在成熟期[7]。转PG反义基因番茄5个时期的PG活性动态变化结果表明，转基因果的PG活性始终处于较低水平，PG活性只在全红期被强烈抑制[8，9]。所有这些研究结果均表明，PG在果实成熟前期对果实的软化基本不起作用，在果实成熟中后期对果实软化作用明显[3]。

虽然PG是果实成熟过程中导致细胞壁降解的主要水解酶，参与果胶降解，在果实软化中起关键作用，但也有报道显示，PG的作用并不是果实成熟软化的唯一因素[3，7，10，11]。PG基因（PG）序列的获得和反义RNA技术的应用为研究PG提供了最直接的证据。利用反义RNA技术研究果实成熟时，转基因番茄中反义PG的过量表达虽然能抑制PG mRNA的积累和酶活性，使内切PG活性降低99%以上，但是阻止果实软化的效果并不理想。由此可以推断，引起果实软化的因素很多，原因复杂，可能不只与果胶降解有关，很可能与降解细胞壁的所有酶都有关系[12]。也有研究表明，PG对于果实成熟软化并不是必要的。国外对几个甜瓜品种进行的研究结果显示，在果实成熟软化过程中并没有PG的参与[13，14]。梁小娥等[15]报道，枣采后可溶性果胶不断增加，原果胶不断减少，可溶性果胶含量增加，但PG活性呈下降趋势，说明果胶物质的变化也是鲜枣果肉软化的原因之一。由于PG在果实成熟软化中所起的作用尚未查明，所以PG的研究已成为国内研究热点。

2　PG的调控表达差异和多态性

PG的功能差异与多态性表现是在长期进化中形成的，并与其结构有密切关系。研究表明，在植物不同发育阶段和不同组织中PG是由多基因家族编码表达，植物发育每一阶段中的细胞壁修饰都与PG表达情况有关，同时有一系列定位于细胞壁的酶共同参与。目前，已经从番茄、桃、苹果、梨、香蕉、李、杏、葡萄、草莓、鳄梨、柿、橙、番木瓜等果实中分离出了大量与果实成熟软化相关的PG[16]（NCBI数据），对PG在各种果实中的表达研究也有较多报道[3]。不同的PG在果实软化过程中的表达模式和时空表达特性不同。在表达模式方面，桃的PG（X76735和DQ340809）在溶质桃果实软化过程中表达量显著增加，另外一些PG（AB231902和X77231）在溶质桃和硬肉桃中表达量却很少[17，18]；孟宪桥[19]进一步发现桃PG在品种中存在多态性，并且引起成熟后不同品种果实硬度或质地差异是PG序列中碱基T的重复数不同、不同水解酶基因表达与调控的差异所导致。谢让金[20]进一步从山桃、甘肃桃、光核桃的品种中发现了85个PG的SNPs，表明该基因在演化过程中存在丰富的单核苷酸多态性。类似的研究结果也在西洋梨中存在[21]。在时空表达特性方面，不同基因家族成员编码的酶存在生物学性质上的差异，如分解特异性、基质特异性、氨基酸顺序的差异性，同时也存在一些高度保守的区域[22]。魏潇等[23]分析认为，引起PG功能差异的原因就是基因结构（包括启动子、内含子和编码区）变异和进化。

3　PG作用与乙烯的相关性

乙烯和PG都是果实成熟过程中关键的调节因子，研究表明，PG的表达与乙烯的调控作用有关[24，25]。在番茄果实成熟过程中乙烯含量的增加与PG合成的动力学研究结果表明，乙烯含量的增加较PG合成早约20 h，对成熟的番茄绿果实施用外源乙烯可激发PG的合成，而将果实置于低乙烯的环境中，则延迟果实成熟和PG合成。由此可见，乙烯合成早于PG的产生，乙烯间接地激发PG的合成[10，26，27]。近年来的研究发现，二者之间还存在着复杂的反馈调节作用，如在乙烯合成受阻的突变体番茄Nr中，PG mRNA和PG的水平极低，乙烯作用抑制剂可以抑制PG mRNA的积累。在反义ACC和反义EFE转基因番茄果实中，乙烯合成受到抑制，PG mRNA仍能大量积累，而PG合成受阻，表明PG mRNA的转录不受乙烯的影响，而翻译会受到乙烯的调控。但Sitrit等[25]认为，PG对乙烯非常敏感，能对非常低的乙烯水平产生反应，转反义ACS番茄果实产生的极微量乙烯已足够诱导PG mRNA的积累。寇晓虹等[26，27]研究显示，PG的转录和翻译都受乙烯的调控，在乙烯缺陷型番茄（转反义ACS）中PG mRNA表达水平降低了50%以上，并且表达高峰推后10 d左右，表明乙烯与PG之间存在互作的反馈调节作用关系，认为存在共同的控制元件。在果树上的研究也有类似结果。Wang等[29]认为，猕猴桃果实中PG表达与乙烯生成有密切关系。黄森等[30]研究表明，乙烯吸收剂处理能抑制火柿果实PG的活性，延缓果实硬度的下降速率。阚娟等[7]测定不同成熟时期雨花桃果实乙烯释放量和PG活性的变化，发现果实在成熟软化过程中具有明显的乙烯跃变高峰，PG活性高峰与乙烯释放高峰同时出现于成熟度的后期，可见PG对乙烯生物合成和信号转导存在反馈调节。也有研究表明，即使乙烯合成受到抑制，PG mRNA仍大量积累，但未检测到PG活性，表明mRNA的转录不受乙烯调控。Tacken等[31]发现，endo-PG的表达受到乙烯和低温的诱导与调控。可以看出，PG活性和作用与乙烯的相关关系复杂。除了乙烯外，在果实成熟衰老过程中，还有其他激素影响着PG活性，如ABA、多胺、生长素、赤霉素和细胞分裂素也起着重要的调控作用[3，32]。

4　结语

PG是引起果实成熟与软化的主要因素之一。近年来，PG克隆与调控等相关研究日益成为果实贮藏研究的重点，许多学者进行了大量探讨并取得了一些重要进展。人们可以通过反义基因技术特异性抑制果实成熟后PG的表达，创制优异种质。如陈鑫[36]运用基因克隆技术获得桃PG全序列，并构建了其植物表达载体；郭国宁[37]克隆桃PG的启动子，对该启动子序列进行分析，并在此基础上构建了反义载体。这些研究为下一步研究基因功能、获得耐储性新种质提供了重要的理论依据。

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Recent Advance on the Ralationship between Fruit Ripening and Polygalacturonase Gene

GAO Xiao-ming，LI Yan-mei，ZHAO Yao-zun，JIA Li-jun，YANG Ying-jun*
（College of forestry，He忆nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

Polygalacturonase is a major enzyme responsible for cell wall disassembly in plants.We intro原duced the role of polygalacturonase in fruit ripening，polygalacturonase gene and its modification，the reg原ulation of fruit po1ygalacturonase by ethylene.

Polygalacturonase；Fruit softening；Ethylene

S66

A

1008-1631（2016）02-0051-04

2015-09-14

河南省教育厅重点资助项目（13A210873）

高晓铭（1990-），河南南乐人，硕士研究生在读，主要从事果树生物技术育种研究。E-mail：1101783135@qq.com。

杨英军（1968-），河南孟津人，教授，博士，主要从事园艺植物种质资源研究。