aBIOTECH | 山东农业大学胡大刚团队成功解析苹果中MdMYB73调控MdPH5介导苹果酸积累和液泡酸化的分子机制

       酸度是果实中非常重要的品质性状，酸度的高低会直接影响果实的风味及其加工品质。苹果果实中含有大量的有机酸，目前已经检测出16种有机酸，其中苹果酸是最主要的有机酸，占到总酸量的80％以上，直接决定果实的酸度，影响果实的风味。苹果酸代谢是一个涉及合成、降解和转运的复杂生物过程。高浓度的苹果酸通过主动运输储存在液泡中。液泡型质子泵是苹果酸转运进入液泡的关键。截至目前，已经在果实中鉴定出三种类型的质子泵，包括液泡H⁺-ATP酶（V-ATP酶）、液泡H⁺/-PPase（V-PPase）和液泡P型ATP酶（P-ATPase）。作为一种近年来被深入研究的新型质子泵，P-ATPase在多种植物中被发现与有机酸积累和液泡酸化相关。但在苹果中，负责苹果酸转运进入液泡贮藏的关键P-ATPase及其调控机制尚不清晰。

       近日，山东农业大学胡大刚团队在aBIOTECH上发表了题为“Regulation of a vacuolar proton-pumping P-ATPase MdPH5 by MdMYB73 and its role in malate accumulation and vacuolar acidification”的研究论文。

图1 苹果果实成熟及采后贮藏过程中MdPH5表达与苹果酸含量呈显著正相关

       作者首先测定了苹果果实整个成熟时期苹果酸含量的变化，并与苹果果实整个成熟时期转录组数据进行关联分析，筛选到一个负责苹果酸转运的P-ATPase基因MdPH5；通过检测MdPH5在苹果果实整个成熟时期及采后贮藏过程中的表达，发现随着果实成熟和贮藏时期的延长，MdPH5表达逐渐降低，这与苹果酸含量的变化呈高度正相关；因此，作者推测MdPH5参与苹果中苹果酸的转运和液泡酸化。

  图2 MdPH5正调节苹果中苹果酸转运和液泡酸化

       为鉴定MdPH5的功能，作者在苹果愈伤组织和果实中对MdPH5基因分别进行了超量表达和沉默实验。通过测定发现，超量表达MdPH5可显著提升转基因愈伤和苹果果实中苹果酸含量和液泡酸度；沉默MdPH5得到相反的结果。因此，作者明确MdPH5是苹果中负责苹果酸转运和液泡酸化的关键P-ATPase。

图3 MdMYB73结合MdPH5基因启动子并激活MdPH5表达

       为解析MdPH5介导的苹果酸转运和液泡酸化的分子调控机制，作者利用酵母单杂交筛库实验筛选到一个MYB家族转录因子MdMYB73；并进一步利用凝胶迁移实验（EMSA）、染色质免疫共沉淀PCR实验（ChIP-PCR）和双荧光素酶实验（LUC）证明，MdMYB73直接结合MdPH5基因启动子并激活MdPH5表达。作者利用苹果果实瞬时注射实验，验证了MdMYB73作用于MdPH5基因上游，调控MdPH5介导的苹果酸转运和液泡酸化。

图4 MdMYB73调控MdPH5介导的苹果酸转运和液泡酸化

       最终，作者基于本研究结果，提出了苹果中MdMYB73调控MdPH5介导苹果酸转运和液泡酸化的分子机制模型。

图5 MdMYB73调控MdPH5介导的苹果酸转运和液泡酸化的分子机制模型

       该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金项目的资助。山东农业大学硕士研究生黄晓玉和向莹为本文的共同第一作者，山东农业大学胡大刚教授和“山东博新计划”入选者孙权博士为共同通讯作者，山东农业大学博士研究生赵玉文、王楚堃、王佳慧、王文燕和硕士研究生刘小龙参与了本研究。