关于‘Kuerle Xiangli’梨（Pyrus sinkiangensis Yu）小果脱落调控机制的生理学、代谢组学和转录组学研究

《Scientia Horticulturae》：Physiological, metabolomic, and transcriptomic insights into the regulatory mechanisms of fruitlet abscission in ‘Kuerle Xiangli’ pear ( Pyrus sinkiangensis Yu)

抗坏血酸代谢、植物激素信号、亚油酸代谢、脱落相关基因

　　在这项研究中，我们探讨了“库尔勒香梨”（*Pyrus sinkiangensis*）中果实脱落这一复杂发育过程的分子和代谢机制。通过整合生理学分析、转录组学和代谢组学的方法，我们比较了果实保留（SF）和脱落（DF）的果实脱落区（AZ）组织在授粉后10天的代谢和转录特征。研究发现，脱落果实表现出与保留果实显著不同的代谢和转录模式。具体而言，我们识别了四个核心代谢通路，这些通路协同调控果实脱落过程：第一，抗坏血酸和醛糖代谢通路，其中关键基因（如 *PbGLDH1* 和 *PbASOL*）表达下调，同时抗坏血酸含量减少，从而干扰了氧化还原平衡；第二，植物激素信号通路，包括生长素、细胞分裂素和赤霉素的通路受到抑制，而脱落酸（ABA）、乙烯和水杨酸（SA）的信号增强，这共同促进了果实脱落；第三，亚油酸代谢通路，其特征是氧化脂质（如9-HPODE和EpOMEs）的积累，以及 *PbLOXs* 基因的表达下调，这表明该通路向非茉莉酸氧化脂质的合成方向转变；第四，类胡萝卜素生物合成通路，其中 *PbNCED1* 和 *PbPSY* 基因的上调增加了ABA水平，进一步刺激果实脱落。此外，研究还揭示了糖-能量代谢、细胞壁重塑、活性氧（ROS）稳态的紊乱，以及程序性细胞死亡（PCD）样过程的激活。这些发现为果实脱落提供了系统层面的理解，揭示了代谢和激素通路之间复杂的相互作用如何调控这一过程。我们的研究结果为通过分子育种或植物激素管理策略来减轻梨和其他相关作物的果实脱落问题提供了新的目标。

“库尔勒香梨”是蔷薇科（Rosaceae）梨亚科（Pomoideae）中的优质品种，它在中国的经济作物中占据重要地位。这种梨以薄皮、脆嫩多汁、甜味、独特的香气以及富含生物活性化合物而著称。然而，近年来由于早期果实发育过程中非生物胁迫和营养缺乏的增加，导致果实脱落现象显著加剧，从而直接影响了整体产量。为了应对这一问题，研究采用了一种整合方法，结合了生理学实验、转录组学和代谢组学技术，以探究果实脱落的调控机制。

植物器官脱落主要发生在脱落区（AZ），这是一个由高度分化的细胞组成的特定区域，位于器官连接处。这一过程由细胞壁的降解介导，使得器官脱离植物体。器官脱落受到多种因素的协调调控，包括激素、酶、肽、碳水化合物、多胺和细胞壁修饰蛋白，这些因素与各种代谢和信号通路相关。这一高度组织化的复杂过程包括对脱落信号的响应、基因表达的差异、代谢调控以及细胞层面的结构变化。

在“库尔勒香梨”中，果实脱落的特征包括果实体积较小、果梗较薄，以及在脱落区附近出现变色现象。扫描电子显微镜（SEM）的观察结果进一步表明，脱落区的细胞排列较为松散，细胞破裂和细胞间空间明显，而保留区的细胞则紧密排列，形成连续的连接。这些生理特征的变化可能与细胞壁的降解有关，其中细胞壁降解酶如聚半乳糖醛酸酶（PGs）、果胶酶（PLs）和纤维素酶（CELs）的活性在脱落组中显著降低，而PG活性则增加，这表明细胞壁的降解和结构变化可能在果实脱落过程中起关键作用。

此外，抗氧化酶活性的变化在脱落组中也十分显著。过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和多酚氧化酶（PPO）的活性在脱落组中显著升高，而超氧化物歧化酶（SOD）的活性则降低。同时，过氧化氢（H?O?）的含量在脱落组中显著下降，这可能表明在脱落过程中，抗氧化系统的功能发生了变化，从而影响了氧化还原平衡。这些变化可能进一步导致细胞壁的破坏，促进果实脱落。

植物激素信号通路在果实脱落过程中起着至关重要的作用。脱落组的果实表现出生长素（IAA）和甲基茉莉酸（MeJA）含量的显著下降，而脱落酸（ABA）的含量则显著增加。生长素是植物器官脱落的重要抑制因子，而脱落酸和乙烯则被认为是脱落的促进因子。同时，水杨酸（SA）的信号通路也被激活，进一步支持了果实脱落的调控机制。这些激素信号的变化可能通过调控相关基因的表达，影响细胞壁的降解和细胞死亡的进程。

在亚油酸代谢通路中，脱落组的果实显示出氧化脂质的积累，如γ-亚油酸、裂解酸、12,13-环氧-9-十八烯酸、9(10)-EpOME、(9Z,11E)-十八碳二烯酸、9-氧-10E,12Z-十八碳二烯酸、9S-过氧化-10E,12Z-十八碳二烯酸和13S-过氧化-9Z,11E-十八碳二烯酸。这些氧化脂质的积累可能与脱落酸和乙烯的信号通路相互作用，从而促进果实脱落。同时，亚油酸氧化酶（LOXs）基因的表达下调，可能反映了代谢通路的重新定向，使得非茉莉酸氧化脂质的合成增加。

在类胡萝卜素生物合成通路中，脱落组的果实表现出关键基因如 *PbPSY* 和 *PbNCED1* 的上调，这导致了脱落酸水平的显著增加。脱落酸的增加可能进一步激活脱落相关基因的表达，从而促进果实脱落。同时，类胡萝卜素合成相关基因的表达变化可能影响了代谢产物的合成和积累，从而改变了果实脱落的生理环境。

研究还揭示了糖-能量代谢、细胞壁重塑、ROS稳态以及程序性细胞死亡相关过程的紊乱。这些发现表明，果实脱落不仅是一个生理过程，更是一个复杂的分子调控网络的结果。通过对这些代谢和信号通路的整合分析，我们能够更全面地理解果实脱落的调控机制，从而为未来的作物改良和品种选育提供理论基础。

综上所述，这项研究通过多组学方法，揭示了“库尔勒香梨”果实脱落的分子机制，为调控果实脱落提供了新的视角和策略。研究结果不仅有助于理解果实脱落的复杂调控网络，还为提高梨和其他相关作物的果实保留率提供了重要的理论依据。未来的研究应进一步探索这些调控通路的分子机制，以及环境因素如何影响这些通路的表达和活性，从而为作物管理提供更具体的指导。