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人才强校 | 李冰冰团队揭示FvMAPK3介导低温抑制草莓果实花青素积累的分子机制
2022-01-12
供稿单位 / 招生办公室

1月9日,The Plant Cell(《植物细胞》)在线发表了中国农业大学园艺学院果树学系/农业生物技术国家重点实验室李冰冰教授团队题为“Low temperature inhibits anthocyanin accumulation in strawberry fruit by activating FvMAPK3-induced phosphorylation of FvMYB10 and degradation of Chalcone Synthase 1”的研究论文。该研究发现低温通过激活FvMAPK3诱导的FvMYB10磷酸化和查尔酮合酶FvCHS1降解来抑制草莓果实中花青素的积累,为培育耐低温、果实品质优良的草莓品种提供了有价值候选基因。

研究论文

低温环境往往导致草莓(Fragaria sp.)果实着色不良,从而大大降低其商业价值。花青素是草莓果实中的主要色素,影响果实品质和营养价值。花青素的生物合成由一系列结构基因所编码的酶催化而成,查尔酮合酶CHALCONE SYNTHASE(CHS)是生物合成途径中主要的限速酶。近期研究发现,含Kelch结构域的F-box蛋白(KFB)可介导CHS泛素化和降解。除生物合成基因外,包括MYB10/1/9、bHLH3、SnRK2.6、MADS1/9等在内的调控因子也参与调节草莓果实中花青素的积累。其中,R2R3型FvMYB10/FaMYB10转录因子已被鉴定是调控二倍体野生草莓(F. vesca)和八倍体栽培草莓(F.×ananassa)果实花青素合成的关键分子开关,但目前尚不清楚影响FvMYB10转录激活活性的上游成分以及FvMYB10如何感知外界环境或信号刺激以调节花青素积累的具体机制。

该团队前期研究发现,SNF1相关蛋白激酶FaSnRK2.6受低温调控,并负调控草莓果实中花青素的积累。另外,MAPK级联成员在拟南芥低温响应和信号转导中也发挥重要作用。在拟南芥中,SnRK2和MAPK级联可形成磷酸化模块,以调节渗透胁迫。而该模块是否在草莓中发挥功能,以及MAPK级联是否参与果实成熟和低温响应的调控还有待探索。

本研究对低温环境下二倍体草莓果实的色素含量进行观察发现,4°C或10°C处理均使果实花青素积累速率和总花青素含量降低,并且草莓果实在整个成熟过程中对低温胁迫高度敏感。FvCHS1、FvCHI和FvMYB10表达水平的降低表明它们参与低温介导的花青素积累抑制。基于已有研究的互作验证和体外激酶实验结果显示,FvMAPK3与FvSnRK2.6直接互作,FvSnRK2.6可使FvMAPK3磷酸化水平略有提高。FvMAPK3活性在4°C处理30min后大幅上升,表明其可能是快速响应低温胁迫的下游信号成分。功能分析发现,FvMAPK3负调控草莓果实成熟,花青素含量、生物合成基因、FvMYB10、软化相关等基因在FvMAPK3转基因果实中显示下调。

FvMAPK3负调控草莓果实中花青素的积累

低温对花青素积累的抑制作用在FvMAPK3过表达果实中显示增强,而在FvMAPK3-cr杂合突变体果实中显示减弱,结合相关基因检测结果表明FvMAPK3是低温介导花青素积累抑制的下游正调控因子。进一步分析发现,FvCHS1和FvMYB10同时与FvMAPK3互作。FvMAPK3因而通过两种机制抑制花青素积累,一方面FvMKK4-FvMAPK3级联通过增强FvKFB1介导的FvCHS1降解来抑制低温下花青素的生物合成;另一方面FvSnRK2.6-FvMAPK3和FvMKK4-FvMAPK3信号模块通过磷酸化作用降低FvMYB10的转录活性,进而抑制其介导的花青素生物合成。此外,FvMAPK3对FvMYB10磷酸化位点缺失突变体FvMYB104A的转录活性抑制明显减弱,而该发现为低温下草莓果实的正常着色提供了潜在育种价值。

MAPK3是草莓果实低温响应和成熟相关花青素积累的重要调控因子

该研究得到了国家重点研发计划(2018YFD1000200)、国家自然科学基金(31772284,32072551)、111计划(B17043)和中国农业大学2115人才培育发展支持计划的资助。