《Plant Physiology and Biochemistry》：Genome-wide identification and functional characterization of six ERD6-like genes involved in soluble sugar accumulation and response to drought in peach (
Prunus persica)
编辑推荐：
为解决桃果实糖分调控与干旱响应的分子机制不清的问题，研究人员开展了桃ERD6-like基因家族的全基因组鉴定与功能研究。通过生物信息学、亚细胞定位、瞬时过表达与干旱处理等实验，发现PpERDL6-1负调控果糖积累，而PpERDL6-3/4/6促进果糖积累，且所有基因均响应干旱胁迫。该研究为桃果实品质改良与抗逆育种提供了新靶点。
桃，作为起源于中国、全球第三大无性繁殖温带果树，其果实的甜美风味是吸引消费者的关键。而这种风味很大程度上取决于可溶性糖——蔗糖、葡萄糖和果糖的含量与比例。有趣的是，相较于栽培品种，一些地方品种更高的甜度主要归因于果糖含量的提升，因为果糖的相对甜度约是蔗糖的1.7倍。在成熟的果实细胞中，糖分主要储存在占据细胞体积高达90%的液泡中，因此，跨越液泡膜的糖转运蛋白是调控果实甜度的核心。其中，ERD6-like（Early Response to Dehydration 6-like）蛋白是液泡膜糖转运蛋白（TSTs）中最大的亚家族，被认为主要负责葡萄糖从液泡向细胞质的输出，在植物响应干旱胁迫、种子萌发及糖稳态维持中发挥作用。然而，尽管在拟南芥、苹果、柑橘等物种中已有研究，但ERD6-like基因家族在桃中的成员、功能及其在果实发育和干旱胁迫下的调控机制仍是一片空白。
此前的研究已发现桃中的PpERDL16（现更名为PpERDL6-1）是果实果糖含量的负调控因子。这促使研究人员思考：桃基因组中还有哪些ERD6-like基因？它们如何影响不同糖分的积累？是否参与桃对干旱等非生物胁迫的响应？为了回答这些问题，北京市农林科学院林业果树研究所的景彦甫、刘悦欣等人开展了一项系统性的研究，相关成果发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上。
研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，利用生物信息学方法对桃基因组进行全基因组扫描，鉴定出ERD6-like基因家族成员。其次，通过系统发育、基因结构和启动子顺式作用元件分析，探究其进化关系和潜在调控机制。第三，利用农杆菌介导的瞬时转化技术在烟草叶片中进行亚细胞定位实验，确认蛋白的细胞位置。第四，在桃果实中果肉切片中进行了基因的瞬时过表达和病毒诱导的基因沉默（VIGS）实验，结合高效液相色谱法（HPLC）测定糖含量，以验证基因功能。最后，通过甘露醇模拟干旱胁迫和盆栽控水实验，分析基因表达模式与糖积累的变化。研究所用桃材料主要来自北京平谷区的桃品质改良基地，包括‘瑞油蟠1号’和‘中油8号’等品种。
3.1. 桃中ERD6-like基因家族的鉴定
研究人员通过同源比对，在桃基因组中鉴定出6个ERD6-like基因，命名为PpERDL6-1至PpERDL6-6。它们分布在1、6和8号染色体上，其中PpERDL6-4、-5、-6在8号染色体上成簇排列，暗示基因复制事件可能促进了该家族的扩张。
3.2. ERD6-like家族的基因结构、保守结构域、系统发育和启动子顺式作用元件分析
基因结构分析显示，除PpERDL6-2外，其他成员具有相似的外显子-内含子模式，表明较高的进化保守性。所有成员均含有糖转运蛋白结构域和8-11个保守基序。系统发育分析将桃的6个基因分散在A1、A2、C和F四个进化枝中，表明它们可能具有功能分化。启动子分析发现，所有基因的启动子区均含有丰富的光响应、激素响应（如脱落酸ABA、茉莉酸甲酯MeJA）及胁迫响应（如干旱诱导、低温响应）相关顺式作用元件，提示它们广泛参与环境胁迫和激素信号的整合。
3.3. PpERD6-like蛋白的亚细胞定位及其在果实发育过程中的基因表达模式
亚细胞定位实验证实，所有6个PpERD6-like蛋白均与液泡膜标记蛋白PpTST1共定位，明确其定位于液泡膜。这表明它们在液泡糖转运中发挥直接作用。表达模式分析显示，6个基因在‘华光’桃果实八个发育时期的表达呈现动态变化。PpERDL6-1在果实发育早期高表达，在成熟后期显著下调；PpERDL6-2和-3在快速膨大期（约65 DAA）表达达到峰值；而PpERDL6-4、-5、-6在开花早期表达较高并在整个成熟期维持中度表达。
3.4. PpERD6-like基因在糖积累中的功能分析及其在干旱胁迫下的表达模式
这是本研究的功能核心。瞬时过表达实验表明，不同基因对糖积累的调控作用存在显著差异：过表达PpERDL6-1显著降低了果肉中果糖和葡萄糖的水平；过表达PpERDL6-2特异性地增加了葡萄糖含量；而过表达PpERDL6-3、-4和-6则促进了果糖的积累。蔗糖含量在各处理中基本不变，说明这些基因主要影响单糖代谢。病毒诱导的基因沉默（VIGS）实验进一步证实了PpERDL6-1的功能，其沉默导致果肉中果糖、葡萄糖和蔗糖含量均显著上升。
在干旱胁迫下，无论是甘露醇模拟的渗透胁迫还是盆栽控水实验，桃果实中的可溶性糖（果糖、葡萄糖、蔗糖）均显著积累。相应地，6个PpERD6-like基因的表达发生波动：PpERDL6-1和-4的表达在胁迫下被抑制；而PpERDL6-2、-3、-5和-6则呈现先诱导后下降的表达模式。这表明在干旱胁迫下，通过抑制某些ERD6-like基因的表达来减少糖分从液泡外流，可能是桃果实积累糖分以实现渗透调节的重要机制。
4. 讨论与结论
本研究的讨论部分对上述发现进行了深入阐释。系统发育和共线性分析表明，桃的ERD6-like基因与苹果、梨等蔷薇科物种的同源基因亲缘关系较近，而在双子叶与单子叶植物间存在分化，揭示了该基因家族在进化上的保守性与特异性。基因功能的多样性（如对果糖和葡萄糖的不同调控效应）暗示家族成员可能通过底物特异性、转运方向或受胞内糖信号调控等方式，在桃果实糖分区室化中扮演不同甚至相反的角色，这为理解液泡与细胞质之间的糖稳态调控提供了新视角。启动子中的多种胁迫响应元件和基因在干旱下的差异表达模式，将ERD6-like基因的功能从单纯的糖转运扩展到了非生物胁迫应答领域。研究表明，在干旱初期，部分基因的上调可能有利于糖分从液泡输出用于应激信号传导；而在持续胁迫下，关键基因如PpERDL6-1的下调则有助于糖分在液泡中滞留，起到渗透保护作用。这种协调调控模式将糖代谢与胁迫适应紧密联系了起来。
综上所述，本研究首次在桃中完成了ERD6-like基因家族的全基因组鉴定与系统性功能解析。主要结论包括：1）桃基因组中含有6个ERD6-like基因，它们位于液泡膜，在进化上具有保守性但也存在功能分化的潜力；2）该家族成员在果实发育不同阶段特异性表达，并响应光、激素及干旱信号；3）功能实验证实它们参与调控可溶性糖（特别是果糖和葡萄糖）的积累，但不同成员作用不同，存在功能多样性；4）在干旱胁迫下，这些基因通过表达重编程参与胁迫诱导的糖积累过程，协调果实的胁迫适应与品质形成。该研究不仅深化了对桃果实糖分积累分子机制的理解，更重要的是，将果实品质性状（甜度）与非生物胁迫抗性（干旱）通过ERD6-like基因家族联系起来，为未来通过分子育种手段同步改良桃果实风味和抗逆性提供了宝贵的候选基因资源和理论依据。
