近日，張紹鈴院士團隊在國際期刊The Plant Journal發表了題為“PbrbZIP15 promotes sugar accumulation in pear via activating the transcription of the glucose isomerase gene PbrXylA1”的文章，首次揭示了PbrbZIP15-PbrXylA1通過葡萄糖異構途徑促進梨果實糖分積累的調控機制。
該研究通過梨果實發育過程中轉錄組與糖分含量關聯分析挖掘到了與糖分含量高度正相關的轉錄因子PbrbZIP15。經驗證發現，PbrbZIP15可促進梨果糖、蔗糖、葡萄糖與總糖的積累，從而提升果實甜度。PbrbZIP15基因與擬南芥、煙草、番茄等物種中的同源基因有較高的序列相似性，均包含有保守的上游開放閱讀框，該前導肽可參與蔗糖誘導的翻譯抑制過程。
為深入探究PbrbZIP15參與果實糖分積累的調控機制，研究團隊對PbrbZIP15與糖代謝及轉運相關結構基因進行共表達分析，結合雙熒光素酶報告試驗、ChIP-qPCR、酵母單雜交以及EMSA試驗結果發現：PbrXylA1作為PbrbZIP15的直接下游靶基因，可被PbrbZIP15轉錄激活。
XylA可催化D-葡萄糖異構化為D-果糖，在工業上廣泛被用于生產高果糖玉米糖漿。目前所報道的葡萄糖異構酶大多來源于細菌，而在植物中鮮有報道。本研究通過對不同植物和細菌XylA進行進化分析和序列比對發現，植物XylA蛋白起源于1.77億年前；與細菌XylA相比，植物XylA蛋白的N端存在富亮氨酸信號肽，可能在其內質網定位過程中發揮作用。進一步的體外酶活試驗、酵母異源表達以及轉化梨果實與愈傷組織等多種手段共同揭示：PbrXylA1可催化葡萄糖異構為果糖，同時促進梨蔗糖與總糖積累以及甜度的提升。
綜上得出，PbrbZIP15可激活PbrXylA1的轉錄，從而通過葡萄糖異構途徑，提升梨中果糖含量，并促進蔗糖與總糖積累水平，進而提升果實甜度。該研究為解析梨果實糖分積累機制提供了新見解，拓寬了梨果實糖代謝調控網絡。同時，本研究首次證明了園藝果實存在葡萄糖與果糖的相互異構過程。
本研究得到了國家自然科學基金（31830081）、江蘇省種業振興“揭榜掛帥”項目（JBGS（2021）022）、三亞南京農業大學研究院引導資金項目（NAUSY-MS08）、江蘇省農業科技自主創新項目（CX（22）2025）、江蘇高校優勢學科建設工程、國家現代農業產業技術體系專項（CARS-28）等的資助。南京農業大學梨工程技術研究中心博士研究生賈璐婷為論文的第一作者，張紹鈴院士和王利斌副教授為共同通訊作者。參與該研究的還有南京農業大學在讀研究生張旭和李瓊厚，已畢業博士研究生張贊，喬鑫和楊兵副教授，美國農業部美國園藝研究實驗室Weiqi Luo研究員以及美國佐治亞大學園藝系Savithri U. Nambeesan教授。南京農業大學谷超教授、浙江大學潘榮輝教授、美國農業部美國園藝研究實驗室Jinhe Bai研究員、康奈爾大學Lailiang Cheng教授、密西根州立大學Randy Beaudry教授以及佛羅里達大學Jeffrey Brecht教授等相關同行在文章修改過程中提供了指導和幫助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1111/tpj.16569
日期：2024-02-19
該研究通過梨果實發育過程中轉錄組與糖分含量關聯分析挖掘到了與糖分含量高度正相關的轉錄因子PbrbZIP15。經驗證發現，PbrbZIP15可促進梨果糖、蔗糖、葡萄糖與總糖的積累，從而提升果實甜度。PbrbZIP15基因與擬南芥、煙草、番茄等物種中的同源基因有較高的序列相似性，均包含有保守的上游開放閱讀框，該前導肽可參與蔗糖誘導的翻譯抑制過程。
為深入探究PbrbZIP15參與果實糖分積累的調控機制，研究團隊對PbrbZIP15與糖代謝及轉運相關結構基因進行共表達分析，結合雙熒光素酶報告試驗、ChIP-qPCR、酵母單雜交以及EMSA試驗結果發現：PbrXylA1作為PbrbZIP15的直接下游靶基因，可被PbrbZIP15轉錄激活。
XylA可催化D-葡萄糖異構化為D-果糖，在工業上廣泛被用于生產高果糖玉米糖漿。目前所報道的葡萄糖異構酶大多來源于細菌，而在植物中鮮有報道。本研究通過對不同植物和細菌XylA進行進化分析和序列比對發現，植物XylA蛋白起源于1.77億年前；與細菌XylA相比，植物XylA蛋白的N端存在富亮氨酸信號肽，可能在其內質網定位過程中發揮作用。進一步的體外酶活試驗、酵母異源表達以及轉化梨果實與愈傷組織等多種手段共同揭示：PbrXylA1可催化葡萄糖異構為果糖，同時促進梨蔗糖與總糖積累以及甜度的提升。
綜上得出，PbrbZIP15可激活PbrXylA1的轉錄，從而通過葡萄糖異構途徑，提升梨中果糖含量，并促進蔗糖與總糖積累水平，進而提升果實甜度。該研究為解析梨果實糖分積累機制提供了新見解，拓寬了梨果實糖代謝調控網絡。同時，本研究首次證明了園藝果實存在葡萄糖與果糖的相互異構過程。
本研究得到了國家自然科學基金（31830081）、江蘇省種業振興“揭榜掛帥”項目（JBGS（2021）022）、三亞南京農業大學研究院引導資金項目（NAUSY-MS08）、江蘇省農業科技自主創新項目（CX（22）2025）、江蘇高校優勢學科建設工程、國家現代農業產業技術體系專項（CARS-28）等的資助。南京農業大學梨工程技術研究中心博士研究生賈璐婷為論文的第一作者，張紹鈴院士和王利斌副教授為共同通訊作者。參與該研究的還有南京農業大學在讀研究生張旭和李瓊厚，已畢業博士研究生張贊，喬鑫和楊兵副教授，美國農業部美國園藝研究實驗室Weiqi Luo研究員以及美國佐治亞大學園藝系Savithri U. Nambeesan教授。南京農業大學谷超教授、浙江大學潘榮輝教授、美國農業部美國園藝研究實驗室Jinhe Bai研究員、康奈爾大學Lailiang Cheng教授、密西根州立大學Randy Beaudry教授以及佛羅里達大學Jeffrey Brecht教授等相關同行在文章修改過程中提供了指導和幫助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1111/tpj.16569
日期：2024-02-19
