果實在人類膳食結(jié)構(gòu)中占有重要地位，是維生素、類胡蘿卜素、類黃酮等多種健康有益物質(zhì)的重要來源。對植物自身而言，果實的重要生理功能是為種子的發(fā)育提供庇護場所（成熟前）和傳播載體（成熟后）。因而，多數(shù)果實成熟前并不好吃，而且含有各種對動物和微生物有害的防御性物質(zhì)（如番茄中的番茄堿等）。這是因為在果實成熟前，種子還未發(fā)育成熟，植物利用包括茉莉酸信號通路在內(nèi)的多種防御機制保護種子的正常發(fā)育。一旦種子發(fā)育成熟，果實就進入成熟階段，并變得色香味俱全，同時將抗性“解除”。植物展示的這些“友好”的信號會吸引動物和微生物“取食”，從而幫助其傳播種子。對植物而言，這一在長期進化過程中形成的復雜而精細的機制有助于其繁衍生息。而對人類而言，由于果實成熟后更容易受死體營養(yǎng)型病原菌侵害而腐爛，這往往導致嚴重的采后損失。據(jù)統(tǒng)計，全球因腐爛造成的果實采后損失高達20~30%，在一些發(fā)展中國家則更為嚴重，甚至超過40%。雖然延緩果實成熟可以提高果實對死體營養(yǎng)型病原菌的抗性，但由于果實的營養(yǎng)品質(zhì)和風味品質(zhì)在成熟后才能完全形成，這使得品質(zhì)與抗性不可兼得。因此，深入研究果實成熟過程中品質(zhì)形成與抗性降低的分子機理以及二者的互作機制，對育種中打破優(yōu)質(zhì)與高抗負相關(guān)具有重要指導意義。

生命科學學院李傳友團隊長期以番茄為模式研究植物防御病蟲侵害與果實品質(zhì)形成的分子機制，并應用于育種。在番茄中，成熟激素乙烯調(diào)控果實成熟的方方面面，而防御激素茉莉酸則主要調(diào)控植物對機械損傷、咀嚼式昆蟲和死體營養(yǎng)型病原菌的抗性反應。該研究組先前的工作解析了乙烯調(diào)控番茄果實成熟的分子網(wǎng)絡(luò)，從轉(zhuǎn)錄調(diào)控的角度回答了“為什么果實成熟后就色香味俱全”（Deng et al., 2023, Plant Cell, 35: 1038–1057）。他們發(fā)現(xiàn)乙烯信號途徑核心轉(zhuǎn)錄因子EIL與轉(zhuǎn)錄中介體亞基MED25形成功能復合體，直接或間接（通過下游次級轉(zhuǎn)錄因子）調(diào)控果實軟化、色素代謝和風味物質(zhì)合成等品質(zhì)形成相關(guān)基因的表達。同時，EIL–MED25還與下游轉(zhuǎn)錄因子形成正負反饋回路來維持成熟過程中的乙烯穩(wěn)態(tài)。

近日，Molecular Plant在線發(fā)表了李傳友團隊題目為“Tomato CYP94C1 inactivates bioactive JA-Ile to attenuate jasmonate-mediated defense during fruit ripening”的研究論文（DOI:10.1016/j.molp.2024.02.004）。該研究發(fā)現(xiàn)EIL在調(diào)控番茄品質(zhì)形成相關(guān)基因表達的同時，靶向激活茉莉酸代謝基因CYP94C1的表達，從而消減茉莉酸介導的抗性，回答了“為什么成熟的果實更容易受死體營養(yǎng)型病原菌的侵害”。

研究首先發(fā)現(xiàn)，在果實的成熟過程中，乙烯的生物合成量迅速上升，而活性茉莉酸JA-Ile的水平則急劇下降。與之相一致的是，乙烯調(diào)控的品質(zhì)形成相關(guān)基因在果實成熟過程中上調(diào)表達，而茉莉酸調(diào)控的防御相關(guān)基因則在該過程中下調(diào)表達。此外，合成受茉莉酸正向調(diào)控的番茄堿，其水平也在果實成熟過程中急劇下降。綜上表明，茉莉酸水平的下降以其介導的抗性反應的下降本身就是果實成熟的內(nèi)在組成部分。

在擬南芥中，Cytochrome P450 94 (CYP94)家族的成員通過ω-氧化使JA-Ile失活。其中，AtCYP94B1和AtCYP94B3將活性形式的JA-Ile轉(zhuǎn)化為低活性的12-OH-JA-Ile，而AtCYP94C1則可以進一步將12-OH-JA-Ile轉(zhuǎn)化為無活性的12-COOH-JA-Ile。擬南芥的這三個基因均受機械損傷誘導表達。序列分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，番茄基因組一共編碼3個CYP94B氧化酶（CYP94B1、CYP94B2和CYP94B3）和2個CYP94C氧化酶（CYP94C1和CYP94C2）。有趣的是，與其他成員不同，CYP94C1的表達受成熟強烈誘導，而不受機械損傷誘導。體外酶活試驗表明CYP94C1可以將JA-Ile轉(zhuǎn)化為無活性的12-COOH-JA-Ile。而敲除CYP94C1可顯著提高成熟果實中的JA-Ile含量，進而提高果實對死體營養(yǎng)型病原菌的抗性。上述結(jié)果表明，CYP94C1在果實成熟過程中被特異誘導表達，從而使JA-Ile失活，進而消減茉莉酸介導的抗性反應。

進一步的研究發(fā)現(xiàn)，乙烯信號途徑核心轉(zhuǎn)錄因子EIL直接結(jié)合到CYP94C1的啟動子區(qū)，從而激活后者的表達。可見，在果實成熟前，植物利用防御激素茉莉酸來保護發(fā)育中的種子。一旦種子成熟，植物就利用成熟激素乙烯來實現(xiàn)“一石二鳥”的作用。一方面，利用乙烯促進品質(zhì)形成，從而吸引動物取食。另一方面，利用乙烯將活性形式的茉莉酸代謝掉，從而“解除”茉莉酸介導的抗性，使果實更容易受死體營養(yǎng)型病原菌侵害而腐爛。這兩方面的作用均有助于種子的傳播。

需要強調(diào)的是，敲除CYP94C1特異提高了果實對死體營養(yǎng)型病原菌的抗性，而不改變果實的成熟過程，因而對糖含量、酸含量、番茄紅素含量和維生素C含量沒有影響。因此，該研究不僅揭示了果實成熟過程中抗性降低的分子機理，而且為育種中解決品質(zhì)與抗性相矛盾的關(guān)系、減少采后損失提供了基因靶標和技術(shù)手段。

圖：EIL靶向激活CYP94C1使JA-Ile失活從而消減茉莉酸介導的抗性

李傳友團隊已出站的博士后楊天霞和鄧磊教授為該論文共同第一作者。鄧磊教授和李傳友研究員為共同通訊作者。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所褚金芳研究員、山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院胥倩教授、青島市農(nóng)業(yè)科學研究院黃婷婷研究員和北京農(nóng)林科學院李常保研究員參與了該研究工作。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心陳曉亞院士、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所張勁松研究員和中國農(nóng)業(yè)大學傅達奇教授對研究給予了幫助。該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導專項和北京市聯(lián)合攻關(guān)項目的資助。

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波