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PBJ | 华南农业大学采后生物学团队朱孝扬发现CpERF-WRI1调控乙烯响应控制番木瓜果实成熟的分子机制

2026-03-28 04:55:06

近日，PlantBiotechnologyJournal杂志在线发表了华南农业大学园艺学院采后生物学团队朱孝扬教授课题组题为“CpERF-WRI1 Manipulates Ethylene Sensing by Regulating the Expression of CpERS1 and Fruit Ripening in Papaya”的研究论文。研究发现转录因子CpERF-WRI1能够调控乙烯受体蛋白CpERS1的表达，在系统II乙烯信号通路中调节乙烯感知，从而控制番木瓜果实的成熟过程，为番木瓜果实成熟调控和分子育种提供了重要的靶标。

番木瓜（Carica papaya L.）是热带和亚热带地区一种深受消费者喜爱的水果，是仅次于香蕉、芒果和菠萝的第四大热带水果作物(FAO, 2023)。其作为一种典型的呼吸跃变型果实，随着呼吸和乙烯高峰的出现，果实迅速转黄软化，导致贮藏期大大缩短，果实品质劣变迅速，成为限制番木瓜产业发展的重要原因之一。乙烯在果实成熟过程中起着关键作用，并被内质网膜上嵌入的特异性受体蛋白所感知。作为乙烯拮抗剂，1-甲基环丙烯（1-MCP）可与这些受体结合并延缓番木瓜成熟，但使用不当会导致成熟障碍（Zhu et al., 2019）。番木瓜对低温也高度敏感，运输和贮藏过程中的冷害会造成重大损失（Zou et al., 2014）。课题组前期鉴定出一组与果实成熟及后熟障碍紧密相关的基因（Zhu et al., 2019；Zheng et al., 2021; Cai et al, 2022; Zhu et al., 2023;Rahman et al., 2024），但其背后的调控网络仍不清楚。华南农业大学采后生物学团队朱孝扬课题组发现乙烯响应因子CpERF-WRI1调控乙烯受体表达，从而调控果实对乙烯的响应，进而控制番木瓜果实成熟的分子机制。全文主要研究结果如下：

1.CpERF-WRI1和CpERS1的表达与果实成熟及软化障碍密切相关

番木瓜木瓜是典型的呼吸跃变型果实，在转色期采收后成熟迅速，且对乙烯高度敏感。我们前期的研究表明，合适的1-MCP处理可通过降低乙烯生物合成和呼吸速率有效延缓番木瓜成熟，而长时间的不合适1-MCP处理则会过度抑制这些代谢过程并诱导软化障碍（Zhu et al，2019）。在本研究中，适宜的1-MCP处理（1小时）可有效延缓果实成熟和软化，而长时间处理（16小时）则会抑制成熟并导致果实质地软化异常，最终在贮藏期间造成不当软化（图1a-c）。

由于1-MCP与乙烯受体不可逆结合并抑制其活性，从而中断乙烯信号传导，我们筛选了参与乙烯生物合成和信号转导的差异表达基因（DEGs）。在我们早期的研究中，许多与乙烯生物合成和信号传导相关的DEGs在成熟过程中被诱导表达，但受到1-MCP的抑制；长期1-MCP处理的抑制作用更强，显著降低了关键基因的转录水平（Zhu et al., 2019）。在本研究中，我们重点关注乙烯受体CpERS1和ERF家族成员，它们的表达与果实成熟相关，并对1-MCP处理有响应。在ERF家族成员中，CpERF-WRI1在成熟期间表达量最高，但受到长期1-MCP处理的严重抑制。除了不适当的1-MCP处理外，低温胁迫（Zhu et al.,2023）和热胁迫（Rahman et al.,，2024）也会诱导番木瓜木瓜软化障碍。RNA-seq分析鉴定出24个在导致软化障碍的处理中共同存在的DEGs（图1d）；CpERF-WRI1是这些关键DEGs之一，表明其在番木瓜成熟和软化过程中具有重要作用。我们通过RT-qPCR验证了CpERF-WRI1和CpERS1的转录水平（图1e）。

CpERS1的表达呈现相似模式：对照果实中CpERS1被快速诱导，在第2天达到峰值后下降，而长期不适当的1-MCP处理强烈抑制了CpERS1的表达，使其在整个贮藏期间维持在低水平（图1f）。这些数据表明，在不适当处理条件下，CpERF-WRI1和CpERS1表达的降低与1-MCP诱导的软化障碍的发生密切相关。进一步支持了过量1-MCP与乙烯受体不可逆结合，阻止其对内源性和外源性乙烯产生响应，从而损害乙烯信号转导的观点。

图1 不合适的1-MCP处理导致果实软化障碍，并抑制了CpERF-WRI1和CpERS1的表达。

2.2CpERF-WRI1和CpERS1表达与系统II乙烯感知及响应密切相关

外源乙烯处理的绿熟期番木瓜可激活系统II乙烯生物合成，启动正常的成熟和软化过程；而在乙烯处理的未熟绿期果实中未观察到该响应。外源乙烯迅速降低成熟果实的硬度，同时伴随乙烯产生量和呼吸速率的急剧升高（图2a、e）。相比之下，未熟绿期果实在30天后仍无法正常成熟或软化，乙烯产生量和呼吸作用持续维持在低水平（图2c-e），但却表现出软化障碍的症状。相应地，CpERF-WRI1和CpERS1的转录水平在成熟果实经乙烯处理后迅速升高至较高水平，而在未熟果实中则维持在低水平（图2f、g）。

图2 CpERF-WRI1和CpERS1在不同软化障碍果实中的表达模式

进一步发现CpERS1和CpERF-WRI1的表达在1-MCP、在未成熟、受冷害和热胁迫的番木瓜果实中，也观察到了类似的成熟障碍以及CpERS1和CpERF-WRI1的表达模式（图2h-k），表明这两个基因可能在成熟障碍中发挥关键作用。

3. CpERF-WRI1调控CpERS1的表达

为验证CpERF-WRI1是否直接结合CpERS1启动子，我们进行了酵母单杂交（Y1H；图3a）和凝胶电泳迁移（EMSA；图3b）实验，两者均证实了CpERF-WRI1与CpERS1启动子之间的相互作用。利用双荧光素酶系统我们观察到在CpERF-WRI1存在时CpERS1启动子活性显著高于对照（图3c）。在番木瓜叶片中瞬时过表达CpERF-WRI1诱导了CpERS1表达（图3d）。这些结果共同表明，CpERF-WRI1直接结合CpERS1启动子并激活其转录。

图3 CpERF-WRI1激活CpERS1的启动子并调控其表达

4.CpERF-WRI1/CpERS1表达的改变影响番木瓜果实成熟

在番木瓜中瞬时过表达CpERF-WRI1，可加速果实成熟、提高CpERS1表达并上调成熟相关通路，而在番木瓜中通过病毒诱导的基因沉默（VIGS）抑制CpERF-WRI1则会延迟成熟并下调这些通路（图4）。同样，在番木瓜过表达CpERS1可加速成熟并促进成熟相关基因的表达，而VIGS介导的CpERS1沉默则会延迟成熟并抑制这些基因（图5）。

图4 CpERF-WRI1瞬时超表达和瞬时沉默对果实成熟的影响

图5 CpERS1瞬时超表达和瞬时沉默对果实成熟的影响

5.CpERF-WRI1/CpERS1过表达加速番茄果实成熟

为了进一步验证CpERF-WRI1/CpERS1在果实成熟中的作用，我们将CpERF-WRI1/CpERS1在番茄中异源过表达，结果表明，番茄中过表达CpERF-WRI1/CpERS1能够加速番茄果实成熟进程及果实完熟进程（图6），同时上调成熟相关基因的表达。

图6 番茄中过表达CpERS1促进了果实成熟进程

总之，该研究结果表明不适的1-MCP处理、温度胁迫冷害或热胁迫诱导的果实软化障碍主要归因于乙烯受体再生受损以及随之而来的乙烯不敏感性。CpERS1在系统II乙烯响应中发挥重要作用，而CpERF-WRI1是激活CpERS1表达关键调控因子。当CpERF-WRI1因不当的1-MCP处理或温度胁迫而受到抑制时，CpERS1无法得到补偿，果实无法响应外源乙烯和启动系统II乙烯通路，进而导致果实软化障碍发生。该研究为番木瓜后熟障碍防控提供了重要的理论基础。

华南农业大学园艺学院毕业硕士研究生吴子菱和毕业博士研究生才佳卉为该论文的共同第一作者，华南农业大学园艺学院朱孝扬教授为通讯作者，毕业硕士研究生郑旺、在站博士后Faiz Ur Rahman和朱秋楠博士，以及华南农业大学园艺学院李雪萍教授和陈维信教授参与了该研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项资金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.70579

参考文献：

Faiz Ur Rahman, Qiunan Zhu, Keyuan Zhang, Xinmiao Kang, Xiangting Wang, Weixin Chen, Xueping Li, Xiaoyang Zhu, Transcriptome and metabolome analyses provide insights into the fruit softening disorder of papaya fruit under postharvest heat stress, Food Chemistry, 2024, 460, 140771, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.140771.

Jiahui Cai, Ziling Wu, Yanwei Hao, Yuanlong Liu, Zunyang Song, Weixin Chen, Xueping Li, Xiaoyang Zhu. Small RNAs, Degradome, and Transcriptome Sequencing Provide Insights into Papaya Fruit Ripening Regulated by 1-MCP. Foods, 2021, 10(7):1643.

Qiunan Zhu, Keyuan Zhang, Weixin Chen, Xueping Li, Xiaoyang Zhu, Transcriptomic and metabolomic analyses reveal key factors regulating chilling stress-induced softening disorder in papaya fruit, Postharvest Biology and Technology,2023,205,112534.https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2023.112534.

Senlin Zheng, Yanwei Hao, Silin Fan, Jiahui Cai, Weixin Chen, Xueping Li and Xiaoyang Zhu. Metabolomic and Transcriptomic Profiling Provide Novel Insights Into Fruit Ripening and Ripening Disorder Caused by 1-MCP Treatments in Papaya. International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22, 916.

Xiaoyang Zhu, Lanlan Ye, Xiaochun Ding, Qiyang Gao, Shuangling Xiao, Qinqin Tan, Jiling Huang, Weixin Chen and Xueping Li，Transcriptomic analysis reveals key factors in fruit ripening and rubbery texture caused by 1-MCP in papaya, BMC Plant Biology,2019, 19:309

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