《Postharvest Biology and Technology》：The MdERF3-MdHSFB2a module activates
MdSAMS2 to promote ethylene biosynthesis in postharvest apple fruit
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乙烯生物合成关键酶MdSAMS2的转录调控机制及其在苹果采后成熟中的作用研究。通过基因表达分析和转录因子互作实验，发现MdERF3和MdHSFB2a通过直接结合启动子及协同作用调控MdSAMS2表达，进而影响乙烯生成。
作者：孙乐|杨光新|王玉清|孙博文|赵梅如|王英达|王艾德|谭东梅|李彤
沈阳农业大学园艺学院，中国沈阳110866
摘要
乙烯是一种关键的植物激素，它调节苹果采后的成熟和衰老过程，直接影响果实品质和保鲜期。S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）是乙烯生物合成途径中的关键酶；然而，其在果实乙烯生成中的调控机制仍不清楚。本研究通过全基因组分析发现，MdSAMS2是在采后苹果中高表达的基因，其表达模式与内源乙烯的产生呈正相关。瞬时表达实验表明，MdSAMS2能够促进采后苹果中的乙烯生物合成。进一步研究表明，转录因子MdERF3和MdHSFB2a可以直接结合到MdSAMS2的启动子上并正向调节其转录。此外，MdERF3与MdHSFB2a相互作用，协同增强MdSAMS2的转录。MdERF3还可以直接结合到MdHSFB2a的启动子上，激活其表达，从而间接促进MdSAMS2的转录。总体而言，MdERF3-MdHSFB2a调控模块通过多种途径增强MdSAMS2的表达，导致采后苹果果实成熟过程中乙烯生物合成增加。本研究阐明了MdSAMS2在苹果乙烯生物合成中的调控机制，扩展了乙烯生成的调控网络，并为采后果实成熟和衰老提供了新的见解。
引言
苹果是一种典型的跃变型果实，乙烯是其采后成熟和衰老的关键调节因子（Hulme等人，1963年）。采收后，苹果会自发产生乙烯，乙烯浓度的增加会促进果实软化、颜色变化和香气形成，从而使果实逐渐成熟并提高其商业价值。然而，过量的乙烯会加速果实过熟，导致质地变差、腐烂风险增加和保鲜期缩短（Saltveit，1999年）。乙烯还会增加果实的呼吸速率，从而加速能量消耗和衰老（Tucker等人，2017年）。因此，有效抑制乙烯的生物合成或作用可以延缓果实成熟和衰老，保持果实的硬度和风味，并延长苹果的保鲜期。
在植物中，乙烯的生物合成涉及将S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转化为1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC），然后ACC被氧化为乙烯。具体来说，甲硫氨酸首先由S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）转化为SAM；接着ACC合成酶（ACS）催化SAM转化为ACC；最后ACC氧化酶（ACO）将ACC氧化生成乙烯（Wang等人，2002年）。这一途径涉及三种关键酶：SAMS、ACS和ACO。在跃变型果实中，乙烯生物合成通过两种不同的机制进行。系统1主要在果实早期发育阶段起作用，其特点是乙烯生成的自我抑制调节。当果实开始成熟时，途径转变为系统2，在此阶段乙烯生成变为自我催化（Barry等人，2000年）。在番茄（Solanum lycopersicum）中，SlACS1a/SlACS3/SlACS6和SlACO1/SlACO4的表达与系统1的乙烯生成相关，而SlACS2/SlACS4和SlACO1/SlACO4与系统2相关（Liu等人，2020年）。在苹果中，多个ACS基因在果实发育和成熟过程中发挥不同的作用（Li等人，2013年）。MdACS6被认为是调节系统1中乙烯生物合成的关键基因。MdACS3a在系统1向系统2的转变中起关键作用，MdACS1对于通过系统2进行乙烯生物合成至关重要（Li等人，2015年；Wang等人，2009年）。转基因研究表明，沉默MdACS1基因或MdACO1基因可以显著减少苹果储存期间的乙烯生成（Dandekari等人，2004年；Schaffer等人，2007年）。S-腺苷甲硫氨酸（SAM）不仅是乙烯生物合成的直接前体，还是植物中重要的甲基供体，在维持正常生长和发育中起着关键作用（Adams和Yang，1977年；Ravanel等人，2004年）。SAM的代谢分配被认为是乙烯生物合成的关键调控节点，因为其他代谢途径的竞争会直接影响可用于乙烯生成的SAM量（Sauter等人，2013年）。因此，SAM合成酶（SAMS）的活性对于维持足够的SAM供应至关重要。先前的研究表明，在Brassica juncea中，SAMS的表达与乙烯生成呈正相关，表明SAMS通过调节SAM的生成为乙烯合成提供核心前体（Lim等人，2002年）。在稻米（Oryza sativa）中，由水稻矮缩病毒（RDV）编码的Pns11蛋白与OsSAMS1相互作用，增强其酶活性，导致乙烯水平升高和稻米植株对RDV感染的敏感性增加；相反，OsSAMS1的敲除显著减少了乙烯生成（Zhao等人，2017年）。在苹果中，甲基乙二醛双（胍基腙）（MGBG）处理显著诱导了MdACS1、MdACO1和MdSAMS的表达，从而增强了采后果实的乙烯生物合成（Pang等人，2010年）。这些发现表明参与了植物中乙烯生物合成的调控。然而，在采后苹果中调控乙烯生成的具体机制仍不清楚。
转录调控在跃变型果实的采后乙烯生物合成中起着关键作用（Li等人，2022年）。例如，在番茄中，乙烯响应因子SlERF.F12直接结合到SlACS2和SlACS4的启动子上，抑制它们的转录，从而减少果实中的乙烯生成（Deng等人，2022年）。相比之下，NAC转录因子SlJA2L通过直接结合到SlACO1的启动子上激活其转录，从而促进乙烯生成（Liang等人，2025年）。关于苹果的研究表明，MdERF2直接或通过与MdERF3的相互作用调节MdACS1的转录，从而调节采后乙烯的生成（Li等人，2016年）。此外，MdHSFB2a直接靶向MdACS1的启动子以激活其表达，从而促进苹果果实中的乙烯合成（Li等人，2023年）。然而，控制MdSAMS转录的上游转录因子和调控机制仍大部分未知。
在本研究中，我们发现了一个关键基因MdSAMS2，它调节苹果果实中的采后乙烯生物合成。此外，转录因子MdERF3和MdHSFB2a也被发现参与MdSAMS2的转录调控，从而调节采后阶段的乙烯生成。这些发现加深了我们对苹果果实中乙烯生物合成调控机制的理解，并为果实成熟研究提供了新的见解和潜在的分子靶点。
材料与处理方法
植物材料与处理
苹果（Malus domestica 品种Golden Delicious；GD）在开花后30天、60天、90天、120天和140天从辽宁果树研究所（中国雄岳）的果园中采集。开花后140天采集的果实被认为是生理成熟的（Li等人，2015年）。成熟的果实分别用乙烯或1-MCP处理，未处理的果实作为对照。在成熟阶段采集的果实室温（25°C）下储存20天，然后取样
MdSAMS2
的表达与苹果果实储存期间的乙烯生成呈正相关
为了确定参与调节采后苹果乙烯生物合成的关键基因，我们首先评估了果实对外源乙烯和乙烯信号抑制剂1-MCP的生理反应（图1A）。储存过程中乙烯生成和果实软化逐渐增加。乙烯处理显著加速了内源乙烯的释放和软化，而1-MCP处理有效抑制了这些变化（图1B、C）。
讨论
乙烯是一种关键的植物激素，它调节果实成熟和衰老，抑制乙烯生物合成可以有效地延缓果实衰老并延长保鲜期（Barry和Giovannoni，2007年）。尽管ACS和ACO基因在乙烯生物合成途径中的调控作用已经得到了广泛研究，但另一种关键酶S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）在果实乙烯生物合成中的分子功能仍不清楚（Ji和Wang，2023年）。
CRediT作者贡献声明
赵梅如：正式分析，数据管理。王玉清：正式分析，数据管理。孙博文：正式分析，数据管理。孙乐：正式分析，数据管理。杨光新：正式分析，数据管理。王英达：资源提供。王艾德：监督。谭东梅：实验研究。李彤：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，实验研究。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFD2100105）的支持。
