比较转录组分析揭示苹果鲜切褐变的保守调控网络及潜在靶点

《BMC Plant Biology》：Comparative enzymatic browning transcriptome analysis of three apple cultivars unravels a conserved regulatory network related to stress responses

为解决苹果果实酶促褐变（EB）影响其市场适应性并造成经济损失，且其调控机制不明的问题，研究人员对三个不同 EB 表型的苹果品种进行转录组研究。结果发现 1448 个差异表达基因（DEGs）等，为 EB 调控提供新靶点，意义重大。

　　在水果的世界里，苹果无疑是备受青睐的明星水果。它不仅口感鲜美，还富含多种营养成分，对人体健康有着诸多益处。然而，苹果在鲜切、加工和贮藏过程中，却容易出现酶促褐变（Enzymatic Browning，EB）现象。这一现象就像是苹果的 “天敌”，不仅严重影响了苹果的外观，使其变得色泽暗淡，还会降低苹果的口感和营养价值，导致其商业价值大打折扣。目前，虽然有不少关于酶促褐变的研究，但对于苹果酶促褐变的调控机制，科学界仍知之甚少。为了深入探究这一复杂的机制，来自西班牙阿拉贡农业食品研究与技术中心（Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón，CITA）等机构的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为我们理解苹果酶促褐变的奥秘提供了新的视角。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 RNA 测序（RNA-seq）技术，通过对不同时间点的苹果果肉样本进行测序，获取基因表达数据；其次是加权基因共表达网络分析（Weighted Gene Co-Expression Network Analysis，WGCNA），用于挖掘与酶促褐变相关的基因模块；此外，还利用了定量实时荧光定量聚合酶链式反应（Quantitative Real-Time PCR，qRT-PCR）对部分基因的表达进行验证。

研究结果如下：

1. 表型特征与高通量测序：研究选取了‘Royal Gala’（低褐变）、‘Borau - 01’（中褐变）和‘Manzana amarilla de octubre’（高褐变）三个苹果品种。通过对鲜切后不同时间（30 分钟、60 分钟）的苹果切片进行观察和分析，发现三个品种的褐变程度存在显著差异。利用 Illumina Novaseq 6000 S1 测序平台对样本进行测序，获得了大量的原始序列 reads，经过一系列处理后，与苹果参考基因组比对，得到了较高的比对率，并确定了表达的基因数量以及差异表达基因（Differentially Expressed Genes，DEGs）。
2. 酶促褐变过程中的 DEGs：转录组分析表明，不同褐变程度的苹果品种在酶促褐变过程中基因表达存在差异，呈现出基因型依赖的氧化应激反应。例如，‘Royal Gala’在氧化 60 分钟时，有较多的基因上调表达；‘Borau - 01’在 30 分钟时反应较弱。同时，研究还发现了不同品种在不同时间点的共同差异表达基因，这些基因涉及多种蛋白质家族，如钙结合蛋白、热休克蛋白等。
3. 差异表达基因的功能分类：通过对 DEGs 进行基因本体（Gene Ontology，GO）分类，发现这些基因涉及多个生物学过程。在分子功能方面，包含 DNA 结合、蛋白质磷酸化等；在生物学过程中，与应激反应、热响应等相关；在细胞组成方面，涉及细胞壁、质外体等。不同品种在这些功能类别上存在差异，为理解酶促褐变的分子机制提供了新线索。
4. 酶促褐变相关基因：研究对与酶促褐变相关的基因，如苯丙烷生物合成途径中的关键酶基因 PPO 和 PAL，以及抗氧化酶基因 SOD、CAT、APX 等进行了分析。发现不同品种中这些基因的组成型表达存在差异，且部分基因的表达在酶促褐变过程中发生变化，表明它们可能在褐变过程中发挥重要作用。
5. WGCNA 揭示的基因簇与酶促褐变的关系：WGCNA 分析发现，模块 Magenta 与酶促褐变显著相关。对该模块基因进行 GO 富集分析，发现其涉及转录调控、蛋白质修饰等多个过程。进一步对模块基因的上游序列进行分析，鉴定出了与钙结合等相关的顺式调控元件，以及多个转录因子结合位点，揭示了酶促褐变调控的复杂性。

研究结论和讨论部分指出，该研究通过对不同褐变程度的苹果品种进行转录组分析，揭示了酶促褐变过程中的转录组变化，包括细胞结构重组、氧化还原稳态调节、转录因子调控等多个方面。研究发现的保守调控网络和基因型特异性反应，为深入理解苹果酶促褐变的分子机制提供了重要依据。这些发现有助于筛选出关键的差异表达基因和转录因子，为未来通过基因编辑等技术培育抗褐变苹果品种提供了潜在靶点。这不仅可以减少食品工业中为防止褐变而采用的物理和化学处理方法，降低生产成本，还能提高苹果产品的品质和贮藏性，减少食物浪费，对苹果产业的发展具有重要的意义。