PBJ | 中国农大马会勤课题组解析乙烯信号介导的ERF-NAC复合体动态调控无花果果实软化的分子调控机制

2025年4月21日 0条评论 24次阅读 0人点赞

近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由中国农业大学马会勤课题组撰写的“ERF100 regulated by ERF28 and NOR controls pectate lyase 7, modulating fig (Ficus carica L.) fruit softening”论文。该研究证实了ERF转录因子FcERF100可以通过调节细胞壁修饰基因FcPL7的表达影响无花果果实软化进程。进一步研究发现FcERF100受到上游转录因子FcERF28和FcNOR的双重调控，其形成的蛋白网络可以在果实发育早期驱动必要的细胞壁修饰，并在果实成熟阶段通过调节组分比例引发快速软化。该成果解析了ERF-NAC复合体动态调控果实软化的分子机制，为果实品质改良的分子育种研究提供了重要理论依据。

无花果（Ficus carica L.）作为最早驯化的园艺作物之一，凭借独特风味、高营养价值和抗氧化特性，在全球鲜食与加工产业中占据重要地位（Solomon et al., 2006）。然而，其果实在成熟过程中乙烯产量骤增引发的快速软化现象导致贮藏期显著缩短，不仅造成品质劣变，还加剧采后病害，严重制约鲜食产业发展（Freiman et al., 2012）。研究表明，外源乙烯利处理可加速软化进程，而乙烯抑制剂1-甲基环丙烯则显著延缓该过程（Cui et al., 2021；Qiao et al., 2021），证实乙烯信号在无花果软化过程中具有核心调控作用。尽管已有研究发现ERF转录因子作为乙烯通路的下游响应因子，可以通过调控果胶裂解酶（PL）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）等细胞壁修饰酶基因表达参与软化调控（Cui et al., 2021; Zhai et al., 2022），但乙烯信号精细调控无花果果实软化进程的分子机制尚未明了。基于此，中国农业大学马会勤课题组通过系统解析FcERF28-FcNOR-FcERF100-FcPL7基因模块的互作网络，构建了乙烯信号介导的ERF-NAC复合体动态调控模型，为解析果实硬度发育机制及耐贮性分子育种提供了理论框架。全文主要研究结果如下：

1. FcERF100负向调控无花果的果实软化过程研究者通过转录组分析鉴定到一个受乙烯抑制的ERF转录因子FcERF100。利用农杆菌介导的无花果果实瞬时注射试验发现，在果实中过表达FcERF100能够显著延缓果实软化并降低PL活性，而PG活性和PME活性无显著影响（图1A-G）；反之，抑制表达FcERF100则加速果实软化并伴随PL活性升高（图1H-M）。上述结果表明，FcERF100通过特异性调控PL活性介导果实软化进程。

图1 FcERF100在无花果果实中的瞬时表达

2. FcERF100过表达抑制番茄果实软化为进一步验证FcERF100在果实软化中的功能，研究者将FcERF100转入‘Micro-Tom’番茄中，获得了3个FcERF100稳定过表达株系（图2A-C）。表型分析表明，转基因果实硬度较野生型显著提升（图2D）。且伴随乙烯释放量、类胡萝卜素含量及PL活性、PG活性同步下降，而PME活性未受影响（图2E-I）。以上结果进一步证实了FcERF100通过抑制细胞壁修饰酶活性负调控果实软化进程。

图2 FcERF100在番茄果实中的稳定过表达

3. FcERF100直接抑制FcPL7的转录调控在果实瞬时注射试验中发现关键细胞壁修饰酶基因FcPL7的表达受到FcERF100的影响。为了证实FcERF100对FcPL7的调控关系，研究者利用Y1H、EMSA、ChIP-qPCR和DLR实验证明了FcERF100可以直接结合FcPL7启动子上的GCC和DRE/CRT元件抑制其表达（图3A-G）。此外，研究者利用实验室建立的无花果稳定转化体系创制了FcERF100的稳定过表达幼树。通过检测FcPL7基因的表达，进一步证明了FcERF100可以抑制FcPL7基因的表达（图3H-L）。这些证据共同表明，FcERF100通过靶向抑制FcPL7调控果实软化进程。

图3 FcERF100负调控FcPL7转录

4. FcERF28通过直接结合FcERF100的启动子激活其转录基于酵母单杂交文库筛选，研究者鉴定得到ERF家族成员FcERF28，该基因此前被报道与无花果果实成熟软化密切相关（Cui et al., 2022）。通过Y1H、EMSA和DLR的体外、体内验证，发现FcERF28可以通过直接结合FcERF100启动子区域的GCC元件激活其转录（图4A-D）。在FcERF28稳定过表达株系中，FcERF100的转录水平显著升高（图4E-I）。这些证据表明，FcERF28作为FcERF100的上游直接激活其转录。

图4 FcERF28可以促进FcERF100的转录

5. FcNOR与FcERF100相互作用并抑制其转录研究者还借助酵母双杂交文库筛选得到了一个NAC转录因子FcNOR。通过Y2H、Pull-down、LCI和BiFC实验证明FcNOR与FcERF100存在物理互作（图5A-D）。进一步分析发现，FcERF100启动子区存在NAC结合基序CACG，通过EMSA和DLR试验证明FcNOR可直接结合该位点并抑制FcERF100转录（图5E-G）。上述结果表明，FcNOR既作为FcERF100的互作蛋白，又通过直接靶向其启动子发挥上游抑制作用，形成多层次调控网络。

图5 FcNOR与FcERF100相互作用并转录抑制FcERF100

基于上述研究结果，团队提出了一个以FcERF100为中心的调控模块来解释果胶裂解酶介导的无花果果实软化（图6）。在乙烯水平较低的幼果阶段，FcERF28与FcERF100可以直接抑制果胶裂解酶基因FcPL7的转录，同时FcERF28通过激活FcERF100表达形成转录级联，确保果胶裂解酶活性处于基础水平。当乙烯合成达到峰值触发成熟进程时，FcERF28与FcERF100的转录抑制功能被削弱，此时NAC家族因子FcNOR既可以作为FcERF100的互作蛋白参与形成调控复合体，也能通过直接抑制FcERF100转录解除其对FcPL7的抑制作用，最终导致果胶裂解酶活性升高，驱动无花果果实快速软化。这些结果阐明了FcERF28-FcNOR-FcERF100转录调控网络对FcPL7表达的复杂调控，拓展了乙烯信号与果胶裂解酶代谢调控的相关理论认识，为无花果果实软化的精确控制和提升无花果果实经济效益提供新思路。

《PBJ | 中国农大马会勤课题组解析乙烯信号介导的ERF-NAC复合体动态调控无花果果实软化的分子调控机制》

图6 ERF28-NOR-ERF100模块通过调控FcPL7介导无花果果实软化的分子模型

中国农业大学园艺学院在读博士生范志毅和王源为论文共同第一作者，马会勤教授为该论文的独立通讯作者，课题组的无花果研究团队多名成员参与了此项研究。研究工作得到了威远无花果产业化综合发展项目（1002-69199007）的资助。特别鸣谢以色列农业部农业研究组织Moshe A. Flaishman教授对实验设计的重要指导，以及耶路撒冷希伯来大学Alexander Vainstein教授在论文写作方面提供了重要帮助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.70085

References:l Cui, Y., Zhai, Y., Flaishman, M., Li, J., Chen, S., Zheng, C., and Ma, H.Q. (2021) Ethephon induces coordinated ripening acceleration and divergent coloration responses in fig (Ficus carica L.) flesh and receptacles. Plant Mol. Biol. 105, 347-364.

l Cui, Y., Zhai, Y., He, J., Song, M., Flaishman, M.A., and Ma, H.Q. (2022) AP2/ERF genes associated with superfast fig (Ficus carica L.) fruit ripening. Front. Plant Sci. 13, 1040796.

l Freiman, Z.E., Rodov, V., Yablovitz, Z., Horev, B., and Flaishman, M.A. (2012) Preharvest application of 1-methylcyclopropene inhibits ripening and improves keeping quality of ‘Brown Turkey’ figs (Ficus carica L.). Sci. Hortic-Amsterdam. 138, 266-272.

l Qiao, H., Zhang, H., Wang, Z. and Shen, Y. (2021) Fig fruit ripening is regulated by the interaction between ethylene and abscisic acid. J. Integr. Plant Biol. 63, 553-569.

l Solomon, A., Golubowicz, S., Yablowicz, Z., Grossman, S., Bergman, M., Gottlieb, H.E., Altman, A., Kerem, Z., and Flaishman, M.A. (2006) Antioxidant activities and anthocyanin content of fresh fruits of common fig (Ficus carica L.). J. Agric. Food Chem. 54, 7717-7723.

l Zhai, Y., Fan, Z., Cui, Y., Gu, X., Chen, S. and Ma, H. (2022) APETALA2/ethylene responsive factor in fruit ripening: roles, interactions and expression regulation. Front. Plant Sci. 13, 979348.

图文来源：植物生物技术Pbj

发表回复取消回复