苹果果实采后香气生物合成的生理动态和转录调控是通过一种Dof转录因子，经由脂氧合酶途径来实现的

《Postharvest Biology and Technology》：The physiological dynamics and transcriptional regulation of postharvest aroma biosynthesis in apple fruit is mediated by a Dof transcription factor via the lipoxygenase pathway

　　

秦莉|方迪轩|王创|甄世凡|赵正阳|刘晓杰

宁夏大学葡萄与园艺学院，银川750021，中国

摘要

尽管苹果的香气品质是消费者选择的主要因素，但控制其采后动态的分子机制尚未明确。在这项研究中，我们对‘Ruixue’苹果在储存过程中的变化进行了全面分析，发现香气生物合成是由脂氧合酶（LOX）途径介导的。通过相关性和表达分析，我们确定了MdLOX5a是关键挥发性有机化合物（包括(E)-2-己烯醛和己醛）的正向调节因子，并通过瞬时过表达和沉默实验验证了这一作用。进一步研究表明，这种调节直接受转录因子MdDof1.2的控制，后者与MdLOX5a的启动子结合并激活它。因此，我们的发现建立了一个新的采后香气生物合成调控模块，为提高果实风味和延长采后品质的育种计划提供了有希望的遗传靶点。

引言

根据Kader在2008年的研究，果实的质地和风味决定了其内在品质，而香气是苹果的重要风味成分。香气特征是一个复杂的性状，影响着市场价值和消费者偏好，这也引起了采后和果实品质研究人员的关注（Barrett等人，2010年）。各种挥发性有机化合物共同构成了苹果的标志性气味。产生标志性香气的主要化学物质包括醛类、酯类、醇类和萜类（Espinodiaz等人，2016年）。为了满足消费者对风味日益增长的需求，人们正在研究果实的生理学和香气生物合成机制。相关研究旨在评估具有不同香气特征的品种（Baietto和Wilson，2015年；Liu等人，2021年；Lu等人，2021b年）。

尽管已在苹果中鉴定出300多种挥发性化合物，但它们在采前和采后阶段的单独气味贡献及其生物合成调控机制仍不清楚（Dimick和Hoskin，1983年；Forney，2009年）。未成熟果实中以醛类为主，而在成熟过程中醇类和酯类逐渐积累，到成熟苹果时酯类成为主要成分（Liu等人，2021年；Wang等人，2025年）。在‘Honeycrisp’等品种中，已鉴定出关键的气味活性化合物，如己基2-甲基丁酸酯、己醛和(E)-2-己烯醛（Yan等人，2020年）。挥发性化合物的分布还表现出组织特异性差异，例如在‘Qinguan’苹果中，储存期间酯类主要在果皮中积累（Li等人，2023年）。在‘Fuji’和‘Royal Gala’等主要品种中，酯类和醇类是主要的挥发性成分，己基乙酸酯、丁基乙酸酯和2-甲基丁基乙酸酯被认为是关键香气贡献者（Echeverría等人，2004年；Schaffer等人，2007年；Defilippi等人，2005年）。新培育的‘Ruixue’品种在发育过程中表现出以醛类为主的独特风味特征（Liu等人，2021年）。然而，其采后储存期间香气代谢的调控机制仍大部分未被探索。

植物香气化合物主要来源于脂肪酸、氨基酸和萜类。这些化合物通过四条主要途径生成：脂肪酸途径、异亮氨酸途径、甲瓦酮酸途径和苯丙素途径（Jonathan和Errol，2000年；Schwab等人，2008年）。在这些途径中，β-氧化和脂氧合酶（LOX）途径产生醛类、醇类和直链酯类（Espinodiaz等人，2016年）。根据LOX途径，LOX、HPL、ADH和AAT会处理前体物质，其中亚油酸和亚麻酸是主要底物，HPL将其转化为直链酯类。在苹果中，已鉴定出23个LOX基因，通过表达分析和QTL作图，对MdLOX1a和MdLOX5e在香气形成中的作用有了明确结论（Vogt等人，2013年）。研究表明MdLOX1a参与醛类的产生（Schiller等人，2015年），在苹果愈伤组织和番茄中过表达MdLOX1a可以增强香气（Zhang等人，2024年）。在草莓中过表达FaLOX5可以增加醛类和酯类的含量，而沉默FaLOX5则降低了香气化合物的水平（Lu等人，2021a）。在番茄中，沉默TomloxC会抑制己醛、己烯醛和己烯醇的生成（Chen等人，2004年）；在黄瓜中，敲除CsLOX09会减少不饱和脂肪酸和C5/C6香气的合成（Sun等人，2024年）。这些发现表明LOX基因在果实香气生物合成中的保守和关键作用。

转录因子（TFs）是调控果实香气品质的生物合成途径的关键调节因子（Klee和Giovannoni，2011年）。在草莓果实中过表达FaERF9显著增强了FaQR的表达，并增加了呋喃醇的含量（Zhang等人，2018年）。类似地，转录因子FaMYB11能够与FaLOX5的启动子区域结合，从而激活FaLOX5基因，进而促进香气化合物的生成（Lu等人，2021a）。最近的研究表明PpNAC1作为重要的激活因子，显著促进了PpAAT1基因的表达（Cao等人，2021年）。这些发现突显了PpNAC1在参与酯类化合物生成的生化途径中的重要性。AP2/ERF转录因子CitAP2.10激活萜类合成酶CsTPS1，从而促进了‘Newhall’橙子的(+)-缬烯合成（Shen等人，2016年）。MdMYC2和MdMYB85激活MdAAT1的表达，促进了苹果果实的酯类生成（Li等人，2023a）。Luo等人（2023年）发现了转录因子PuNAC100类似物和PubHLH61在‘Nanguo’梨品种中参与PuLOX3表达的功能。Dof转录因子在脂肪酸相关的代谢过程中起调节作用。在油菜（Brassica napus）胚胎中，下调BnDof5.6显著降低了脂肪酸含量（Deng等人，2015年）。此外，MaDof23与MaERF9相互作用，调节与香蕉（Musa acuminata）果实香气生成相关的基因（Feng等人，2016年）。CsDof1.8通过直接转录激活CsLOX09的表达，促进了黄瓜果实中C9类香气的积累（Sun等人，2024年）。然而，Dof转录因子在苹果中调节香气化合物合成的分子机制尚未明确。

本研究分析了‘Ruixue’苹果在室温储存期间的品质特征、挥发性化合物及其调控机制。我们监测了可溶性固形物、酸度、糖分、香气挥发物以及与脂氧合酶（LOX）途径相关的酶活性的变化。值得注意的是，我们确定了MdLOX5a是参与挥发性化合物生物合成的关键基因。此外，发现转录因子MdDof1.2直接与MdLOX5a的启动子结合，从而激活其表达。这一发现揭示了MdDof1.2和MdLOX5a在储存过程中调节挥发性化合物生成的调控机制。

章节片段

植物材料和处理

‘Ruixue’苹果的果实来自中国陕西省白水县西北农林大学国家苹果示范基地的6年生苹果树，于2024年10月14日在商业成熟期收获。选用于实验的苹果大小均匀、成熟度一致、无瑕疵且外观无损伤。这些苹果在室温25±1°C下悬挂了35天。期间监测了生理指标和植物激素...

上游转录因子的预测

通过Plant Transcription Factor Database（PlantRegMap/PlantTFDB v5.0）的植物转录调控图谱，鉴定了调控MdLOX5a的潜在上游转录因子（http://planttfdb.cbi.pku.edu.cn/）。首先扫描MdLOX5a上游2000 bp的启动子序列，寻找所有基于实验（DAP-seq和ChIP-seq）或计算得出的具有统计学意义的潜在转录因子结合位点...

‘Ruixue’苹果在采后储存期间的生理特性

研究了‘Ruixue’苹果在室温储存期间的品质变化。随着储存时间的延长，苹果中的可溶性固形物含量和固酸比先增加后减少，在储存14天时达到最大值（图S1A,C）。另一方面，可滴定酸度和硬度随着储存时间的增加而稳步下降（图S1B,D）。

主要的可溶性糖是果糖，它对苹果果实中总可溶性糖的贡献最大。

讨论

苹果是一种典型的呼吸跃变型果实，其成熟过程伴随着呼吸活动的急剧增加，这一阶段与乙烯生物合成的增加相吻合，促进了果实的成熟（Li等人，2017年）。果实成熟是一系列生理和生化过程的结果，还包括营养物质的积累、颜色变化和质地变化。

结论

总之，本研究从物理和分子层面探讨了‘Ruixue’苹果采后风味的调控网络。在储存过程中，糖分和有机酸的含量先增加后减少。在(E)-2-己烯醛、(Z)-α-法尼烯和2-甲基-1-丁醇等重要香气化合物的生物合成过程中，关注了脂氧合酶（LOX）途径活性的变化。

CRediT作者贡献声明

王创：方法学研究。秦莉：撰写——初稿，实验研究。方迪轩：正式分析。赵正阳：软件使用，概念构思。甄世凡：软件操作。刘晓杰：撰写——审稿与编辑，资源获取，资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢西北农林大学园艺科学研究中心的张静博士和赵静（中国杨凌）在GC-MS分析方面提供的专业技术支持。本工作得到了国家自然科学基金（编号32402545）和宁夏自然科学基金（编号2025AAC050025）的资助。