近日，張紹鈴院士團隊在國際期刊The Plant Journal發(fā)表了題為“PbrbZIP15 promotes sugar accumulation in pear via activating the transcription of the glucose isomerase gene PbrXylA1”的文章，首次揭示了PbrbZIP15-PbrXylA1通過葡萄糖異構(gòu)途徑促進(jìn)梨果實糖分積累的調(diào)控機制。
該研究通過梨果實發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄組與糖分含量關(guān)聯(lián)分析挖掘到了與糖分含量高度正相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子PbrbZIP15。經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)，PbrbZIP15可促進(jìn)梨果糖、蔗糖、葡萄糖與總糖的積累，從而提升果實甜度。PbrbZIP15基因與擬南芥、煙草、番茄等物種中的同源基因有較高的序列相似性，均包含有保守的上游開放閱讀框，該前導(dǎo)肽可參與蔗糖誘導(dǎo)的翻譯抑制過程。
為深入探究PbrbZIP15參與果實糖分積累的調(diào)控機制，研究團隊對PbrbZIP15與糖代謝及轉(zhuǎn)運相關(guān)結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行共表達(dá)分析，結(jié)合雙熒光素酶報告試驗、ChIP-qPCR、酵母單雜交以及EMSA試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PbrXylA1作為PbrbZIP15的直接下游靶基因，可被PbrbZIP15轉(zhuǎn)錄激活。
XylA可催化D-葡萄糖異構(gòu)化為D-果糖，在工業(yè)上廣泛被用于生產(chǎn)高果糖玉米糖漿。目前所報道的葡萄糖異構(gòu)酶大多來源于細(xì)菌，而在植物中鮮有報道。本研究通過對不同植物和細(xì)菌XylA進(jìn)行進(jìn)化分析和序列比對發(fā)現(xiàn)，植物XylA蛋白起源于1.77億年前；與細(xì)菌XylA相比，植物XylA蛋白的N端存在富亮氨酸信號肽，可能在其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位過程中發(fā)揮作用。進(jìn)一步的體外酶活試驗、酵母異源表達(dá)以及轉(zhuǎn)化梨果實與愈傷組織等多種手段共同揭示：PbrXylA1可催化葡萄糖異構(gòu)為果糖，同時促進(jìn)梨蔗糖與總糖積累以及甜度的提升。
綜上得出，PbrbZIP15可激活PbrXylA1的轉(zhuǎn)錄，從而通過葡萄糖異構(gòu)途徑，提升梨中果糖含量，并促進(jìn)蔗糖與總糖積累水平，進(jìn)而提升果實甜度。該研究為解析梨果實糖分積累機制提供了新見解，拓寬了梨果實糖代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。同時，本研究首次證明了園藝果實存在葡萄糖與果糖的相互異構(gòu)過程。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金（31830081）、江蘇省種業(yè)振興“揭榜掛帥”項目（JBGS（2021）022）、三亞南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究院引導(dǎo)資金項目（NAUSY-MS08）、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項目（CX（22）2025）、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項（CARS-28）等的資助。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)梨工程技術(shù)研究中心博士研究生賈璐婷為論文的第一作者，張紹鈴院士和王利斌副教授為共同通訊作者。參與該研究的還有南京農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀研究生張旭和李瓊厚，已畢業(yè)博士研究生張贊，喬鑫和楊兵副教授，美國農(nóng)業(yè)部美國園藝研究實驗室Weiqi Luo研究員以及美國佐治亞大學(xué)園藝系Savithri U. Nambeesan教授。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)谷超教授、浙江大學(xué)潘榮輝教授、美國農(nóng)業(yè)部美國園藝研究實驗室Jinhe Bai研究員、康奈爾大學(xué)Lailiang Cheng教授、密西根州立大學(xué)Randy Beaudry教授以及佛羅里達(dá)大學(xué)Jeffrey Brecht教授等相關(guān)同行在文章修改過程中提供了指導(dǎo)和幫助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1111/tpj.16569
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