生物技术通报 | 中国农业大学朱鸿亮团队—基于乙烯响应筛选调控番茄成熟且影响呼吸的基因及其功能分析

本研究建立的双重筛选策略，通过乙烯/1-MCP处理与果实呼吸跃变动态转录组数据的整合分析，成功鉴定出220个同时受乙烯诱导的调控成熟且影响呼吸的核心基因。这些基因显著富集于能量代谢通路，与线粒体作为呼吸跃变核心场所的生理功能高度契合，充分证明了本筛选策略在系统解析乙烯-呼吸耦合机制上的科学性和有效性。

功能验证表明，沉默其中5个关键基因（AOX1a、MPC1、NDB2、PCO2、HIGD3）均会导致果实成熟障碍，确证了它们在乙烯调控网络中的关键作用。从候选基因的功能特性来看，5个基因分别参与线粒体呼吸代谢的不同关键环节，形成了完整的调控网络。线粒体电子传递链（ETC）与能量代谢是呼吸跃变的执行中心。作为ETC的旁路，AOX1a作为交替氧化酶家族的核心成员，其编码蛋白可在复合体Ⅲ受阻时启动交替呼吸途径，调控线粒体ROS生成与电子传递效率。其沉默导致果实成熟受阻，印证了该途径在缓解氧化压力、维持电子流以支持乙烯爆发与成熟中的重要作用。本研究进一步发现，除了旁路途径，主呼吸链的精密调控同样不可或缺。MPC1作为线粒体丙酮酸载体的核心亚基，负责将胞质糖酵解产生的丙酮酸转运至线粒体基质，为TCA循环提供关键底物。MPC1作为丙酮酸进入线粒体的关键转运体，其功能沉默导致成熟受阻，强烈暗示乙烯通过上调丙酮酸供应来驱动呼吸跃变，这一发现为理解跃变初期糖酵解与线粒体呼吸的衔接提供了新视角。NDB2属于非磷酸化NAD (P) H脱氢酶，主要介导胞质中NAD (P) H的电子传递至线粒体呼吸链，补充电子供体并调控氧化还原平衡。由功能验证结果推测其可能负责将胞质还原力导入线粒体呼吸链，提示乙烯信号通过调节细胞整体氧化还原平衡来优化呼吸效率。植物半胱氨酸氧化酶PCO2，作为氧传感器，通过调控ERF-Ⅶ转录因子稳定性，联动无氧呼吸、能量代谢与乙烯通路。低氧时启动无氧呼吸实现应急供能，平衡有氧与无氧呼吸的ATP产出，同时与乙烯通路协同调控低氧适应及生殖发育，形成氧感知、代谢切换与激素协同的网络，保障植物在不同氧环境下平衡生存与生长。HIGD3作为线粒体呼吸链超级复合体组装的辅助蛋白，能够调控氧化磷酸化效率，影响ATP生成。二者的沉默均导致成熟障碍，表明氧化应激响应和呼吸链组装效率是乙烯调控呼吸跃变的重要环节。它们的必需性表明，乙烯调控呼吸跃变不仅涉及代谢通量的提升，还包含了对线粒体氧化环境稳态和氧化磷酸化结构基础的精细维护。研究发现，这些核心基因可能处于一个共同的转录调控模块之下。这种多基因协同调控的模式，确保了在呼吸跃变这一剧烈生理转变中，能量代谢既能够急剧增强，又能保持相对稳定，避免有害中间产物的过度积累。

与前人研究相比，本研究的创新点在于首次通过系统性筛选策略，建立了乙烯信号与线粒体呼吸功能基因模块之间的整体性关联，为之后研究提供了新的线索与基因资源。例如，以往研究多集中于AOX1a在果实成熟中的表达与功能，而本研究通过整合分析，发现AOX1a与MPC1、HIGD3等基因均属于乙烯响应基因，并且共同参与了调控果实呼吸跃变，推测这些基因可能存在协同作用，为后续解析其构成的乙烯响应调控模块奠定了基础。VIGS沉默导致的果实红黄斑驳表型，不仅直观验证了基因的功能，也反映了这些基因在果实局部组织成熟中可能具有时空特异性调控作用，为后续研究基因的时空表达特性提供了重要线索。

值得注意的是，本研究筛选出的基因模块为后续果实品质改良实践提供了明确靶点。基于此调控网络，未来研究可通过基因编辑技术或代谢工程手段，精准调控这些关键节点的表达水平，从而实现对呼吸跃变进程和果实成熟速度的定向调控。这不仅为培育耐贮运番茄新品种奠定了分子基础，也为其他跃变型果实的采后生物学研究提供了可借鉴的基因资源与调控范式。