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PBJ | 南京农大张绍铃院士团联合其它单位揭示乙烯调控梨果实成熟衰老的全新机制

2026-05-07 12:19:16

近日，PlantBiotechnologyJournal杂志在线发表了由南京农业大学园艺学院张绍铃院士团队联合南京林业大学、陕西师范大学等合作单位完成的最新研究成果，题为“PbrIDD2‑PbrAPX14 Module Functions in the Ethylene‑Mediated Ripening and Senescence Process of Pear Fruit”。该研究以我国新疆特色优质梨品种“库尔勒香梨”（Pyrus sinkiangensis cv. ‘Kolar’）为研究材料，围绕呼吸跃变型果实成熟和衰老的核心问题，系统地解析了乙烯信号和过氧化氢（H₂O₂）信号之间的级联调控关系，首次鉴定并阐明了PbrIDD2‑PbrAPX14分子模块通过“转录激活 + 翻译后S‑次磺酸化修饰”的双重调控，精准调控梨果实成熟与衰老过程的分子机理。该研究不仅完善了呼吸跃变型果实成熟衰老机制的理论框架，也为梨果实采后保鲜技术开发和耐贮性分子育种提供了关键基因靶点与全新策略。

梨是我国第三大落叶果树。“库尔勒香梨”以皮薄、肉细、汁多、味甜、香气浓郁和营养丰富著称，是我国特色梨品种之一。然而，“库尔勒香梨”属于典型的呼吸跃变型果实，常温贮藏条件下易发生失水、软化、腐烂等现象，严重制约了产业的高质量发展（Jia et al., 2018）。长期以来，国内外学者围绕果实成熟与衰老开展了诸多研究（Alba et al., 2005; Liu et al., 2015; Wen et al., 2012; Kumar et al., 2016; Wang et al., 2018）。大量权威研究证实，呼吸跃变型果实（包括梨、苹果、番茄、香蕉、猕猴桃等）的成熟与衰老过程受系统II乙烯合成和信号通路的精确调控（Albaetal., 2005）。乙烯以甲硫氨酸（methionine）为底物，依次经S‑腺苷甲硫氨酸合成酶（S‑adenosylmethionine synthetase，SAMS）、1‑氨基环丙烷‑1‑羧酸合成酶（1‑aminocyclopropane‑1‑carboxylate synthase，ACS）、1‑氨基环丙烷‑1‑羧酸氧化酶（1‑aminocyclopropane‑1‑carboxylate oxidase，ACO）催化生成（Albaetal., 2005）。乙烯合成后结合到细胞膜上的乙烯受体（ethylene receptors，ETRs），抑制下游组成型三重反应蛋白 1（constitutive triple response 1，CTR1）的活性，进而启动乙烯不敏感蛋白 2（ethylene insensitive 2，EIN2）—EIN3 / 乙烯不敏感蛋白 3 样蛋白 1（EIN3‑like 1，EIL1）信号通路，激活下游大量成熟衰老相关基因的表达，最终调控果实褪绿、软化、细胞壁降解、糖酸转化等采后品质的变化（Wen et al., 2012；Liu et al., 2015）。

近年来，越来越多研究表明，活性氧（ROS）尤其是稳定性较强的H₂O₂可作为乙烯信号转导途径下游的第二信使，参与调控果实的成熟与衰老过程（Kumar et al., 2016；Wang et al., 2018）。外源施加H₂O₂可显著促进跃变型果实成熟，而清除H₂O₂则显著延缓成熟（Brennan & Frenkel, 1977；Guo et al., 2019；Zhou et al., 2025）。然而，乙烯如何调控H₂O₂代谢，参与H₂O₂代谢的关键基因及其上游因子调控因子有哪些，H₂O₂是否会反过来通过氧化还原修饰影响蛋白功能并放大乙烯信号，这些核心科学问题至今仍未得到系统解答。

基于上述科学问题，研究团队整合品质和生理生化测定、转录组分析、遗传转化、DNA‑蛋白互作、蛋白氧化还原修饰检测等多种分子生物学技术和手段，系统开展了乙烯对“库尔勒香梨”果实成熟与衰老调控机制的研究，揭示了以PbrIDD2‑PbrAPX14为核心的双重（“转录水平激活 + 翻译后S‑次磺酸化修饰”）调控机制，为理解呼吸跃变型果实成熟衰老过程提供了全新视角。全文主要研究结果如下：

1. 乙烯是调控“库尔勒香梨”果实成熟衰老过程中品质变化的核心激素

为明确乙烯对“库尔勒香梨”果实采后成熟衰老过程的调控作用，研究团队借助1‑MCP熏蒸处理和PbrACO54瞬时过表达果实，检测了果实贮藏过程中乙烯、色泽、质地、糖酸等指标。结果显示，1‑MCP处理可显著抑制“库尔勒香梨”果实乙烯合成，果皮色泽转变、果实软化及TSS/TA值（图1a）；与之相反，在梨果实中瞬时过表达乙烯合成关键基因PbrACO54促进了果实的成熟与衰老过程（图1b）。上述结果证明乙烯是调控“库尔勒香梨”果实采后成熟与衰老过程中品质变化的核心激素。

图1 乙烯调控“库尔勒香梨”果实成熟衰老过程中的品质变化

2.PbrAPX14参与“库尔勒香梨”果实成熟衰老过程中H₂O₂代谢及成熟与衰老过程

内源ROS，如H₂O₂、超氧阴离子（O₂·⁻）、羟基自由基（·OH），均在“库尔勒香梨”果实贮藏期间积累，并在乙烯高峰之前达到最高值（图1a-v）；1MCP则显著抑制了ROS的积累，而过表达PbrACO54则促进了ROS积累（图1a-v/1b-v）。

进一步检测AsAGSH循环中的酶活性和基因表达量发现，PbrAPX14基因的表达量与APX活性显著正相关，而与乙烯释放量和H₂O₂含量显著负相关（图2）。以上结果表明，PbrAPX14是连接乙烯和H₂O₂信号的关键基因（图2）。PbrAPX14定位于细胞质，且在梨果实中过表达PbrAPX14基因可显著上调APX酶活性，增强H₂O₂清除能力，抑制乙烯释放与果实成熟衰老过程；而沉默PbrAPX14基因则显著抑制APX酶活性，促进H₂O₂积累与果实成熟衰老过程。上述结果表明，PbrAPX14参与“库尔勒香梨”果实成熟衰老过程中H₂O₂的代谢及成熟衰老过程。

图2 PbrAPX14参与“库尔勒香梨”果实成熟衰老过程中H₂O₂代谢及成熟衰老过程

3. PbrIDD2直接结合并转录激活PbrAPX14转录进而影响果实成熟衰老过程

为阐明PbrAPX14的转录调控机制，研究团队结合转录组测序和分子生物学分析，确定PbrIDD2是其关键上游调控因子。在此基础之上，采用双荧光素酶报告系统（DualLUC）、酵母单杂交（Y1H）、染色质免疫共沉淀qPCR（ChIPqPCR）、凝胶迁移阻滞实验（EMSA）等技术证实定位于细胞核的PbrIDD2可与PbrAPX14启动子中的顺式作用元件（5’TTTGTCG3’）结合并激活其表达（图3）。

此外，在梨果实中过表达PbrIDD2基因可显著上调PbrAPX14表达量，增强H₂O₂清除能力，抑制乙烯释放与果实成熟衰老过程；沉默PbrIDD2基因则显著抑制PbrAPX14转录，促进H₂O₂积累与果实成熟衰老过程。上述结果表明，PbrIDD2PbrAPX14转录模块负调控梨果实的成熟与衰老过程。

图3 PbrIDD2直接结合PbrAPX14基因的启动子并激活转录

4.H₂O₂介导PbrAPX14蛋白Cys⁴⁸位点的S次磺酸化修饰，抑制其酶活性进而影响果实成熟衰老过程

研究团队进一步探索PbrAPX14蛋白是否受到翻译后修饰调控。生物信息学分析结果表明，PbrAPX14蛋白第48位半胱氨酸残基（Cys⁴⁸）是潜在的S次磺酸化位点，且该位点是参与AsA结合的关键残基，直接影响酶的功能（图4a-b）。

为验证该位点功能，团队构建了Cys⁴⁸→Ser点突变体，并进行了体外修饰与酶活性检测。结果表明，H₂O₂处理可诱导野生型PbrAPX14发生S次磺酸化修饰，进而抑制其酶活性（图4c-d）；Cys⁴⁸→Ser突变体完全不能被S次磺酸化，突变体酶活性也不受H₂O₂的影响（图4c）。体内实验进一步证实，乙烯利和H₂O₂处理可促进“库尔勒香梨”果实中H₂O₂的积累，增强PbrAPX14的S次磺酸化水平（图4d），形成“乙烯积累→H₂O₂升高→PbrAPX14修饰水平增加→PbrAPX14酶活性下降→H₂O₂进一步积累→乙烯进一步升高”的正反馈放大通路，推动果实成熟和衰老过程。该研究首次在梨果实中证实H₂O₂介导的蛋白S次磺酰化修饰参与调控果实成熟和衰老过程，揭示了氧化信号自我放大的全新分子机制。

图4 H₂O₂介导PbrAPX14蛋白Cys⁴⁸位点的S次磺酸化修饰

综上，本研究以“库尔勒香梨”为材料，系统揭示了乙烯通过介导PbrAPX14的转录调控和翻译后S‑次磺酸化修饰的双重调控机制参与果实成熟与衰老过程（图5）：在“库尔勒香梨”果实成熟与衰老过程中，伴随着乙烯积累，PbrIDD2及其下游基因PbrAPX14的转录受到抑制，促进了H₂O₂积累，正调控果实成熟和衰老过程；同时，H₂O₂可通过对PbrAPX14中的Cys⁴⁸位点进行S‑次磺酸化修饰，抑制酶活性，形成加速成熟与衰老的正反馈通路。该研究完善了呼吸跃变型果实成熟衰老的理论体系，也为梨果实采后保鲜技术开发和耐贮性分子育种提供了关键基因靶点与全新策略。

图5 PbrIDD2PbrAPX14模块调控“库尔勒香梨”果实成熟衰老过程的分子机制模式图

南京农业大学/南京林业大学王利斌副教授、陕西师范大学牛军鹏助理研究员、南京农业大学副教授姜丽等为论文共同第一作者，南京农业大学张绍铃教授、王利斌副教授、牛军鹏助理研究员为共同通讯作者。此外本研究还衷心感谢来自浙江省园艺植物整合生物学重点实验室、陕西师范大学王国栋教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研究员、南京农业大学郁志芳教授、河南大学陈立超教授、华中农业大学成金桃副教授、浙江工商大学宦晨副教授、塔里木大学谢兵副教授、南京林业大学祁隽教授、金永灿教授、曹福亮教授的大力支持和帮助。研究工作得到新疆重大科技专项、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.70664

References:

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Brennan, T., & Frenkel, C. (1977). Involvement of hydrogen peroxide in the regulation of senescence in pear. Plant Physiology, 59, 411–416.

Guo, D. L., Wang, Z. G., Pei, M. S., et al. (2019). Hydrogen peroxide treatment promotes early ripening of Kyoho grape. Australian Journal of Grape and Wine Research, 25, 357–362.

Jia, X., Wang, W., Du, Y., et al. (2018). Optimal storage temperature and 1-MCP treatment combinations for different marketing times of Korla Xiang pears. Journal of Integrative Agriculture, 17, 693–703.

Kumar, V., Irfan, M., Ghosh, S., et al. (2016). Fruit ripening mutants reveal cell metabolism and redox state during ripening. Protoplasma, 253(3), 581–594.

Liu, M., Pirrello, J., Chervin, C., et al. (2015). Ethylene control of fruit ripening: Revisiting the complex network of transcriptional regulation. Plant Physiology, 169(4), 2380–2390.

Wang, L. B., Ma, M., Zhang, S. L., et al. (2018). Characterization of the genes involved in malic acid metabolism from pear fruit and their expression profile after postharvest 1-MCP/ethrel treatment. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 66(33), 8772–8778.

Wen, X., Zhang, C., Ji, Y., et al. (2012). Activation of ethylene signaling is mediated by nuclear translocation of the cleaved EIN2 carboxyl terminus. Cell Research, 22(12), 1613–1616.

Zhou, L., Gao, G., Tang, R., et al. (2025). Redox modification of m⁶A demethylase SlALKBH2 in tomato regulates fruit ripening. Nature Plants, 11(2), 218–233.

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