师徒篇 | 果树逆境生物学团队揭示山梨醇—果糖代谢在苹果糖含量与代谢调控中的作用

碳水化合物（CHO）对植物的生长发育具有重要作用，同时也是植物产量和品质形成的基础。在水果中，可溶性糖含量是果实品质的重要组成。大多数植物中，长距离运输的碳水化合物以蔗糖为主，而在苹果等蔷薇科植物中，叶片光合长距离运输的产物包括山梨醇和蔗糖，其中山梨醇占到近 80%。经过长距离运输，山梨醇在苹果库细胞中在山梨醇脱氢酶（SDH）催化下生成果糖而进入碳代谢或在液泡中贮存，这使苹果在糖代谢和调控上具有了特殊性，如在库细胞中苹果要有近 90% 的碳流要经过果糖而代谢，而大多数植物最多为 50%，这要求苹果需要强的果糖代谢和转运能力，以满足生长发育对碳的需求和对环境的变化适应。

近日，西北农林科技大学果树逆境生物学团队在农林科学 TOP 期刊 Horticulture Research 杂志同时在线发表了两篇关于苹果糖代谢与调控的研究论文。在题为 Sugar metabolism and accumulation in the fruit of transgenic apple trees with decreased sorbitol synthesis 的研究中，研究人员以山梨醇合成受抑制的转基因苹果果实为材料，解析了山梨醇对苹果果实糖含量的调控机制，发现转基因苹果能通过 FRK 等酶活性和基因表达的改变调控糖的含量；在题为 Increasing activity of MdFRK2, a high affinity fructokinase, leads to upregulation of sorbitol metabolism and downregulation of sucrose metabolism in apple leaves 的研究中，研究人员解析了参与果糖代谢的 MdFRK 基因编码蛋白的特性及其对糖含量的调控，发现苹果 MdFRK2 不仅对果糖有着高的催化亲和力，也有高的催化活性，在苹果中过量表达能通过改变山梨醇和蔗糖代谢调控叶片糖含量。

1. 「Sugar metabolism and accumulation in the fruit of transgenic apple trees with decreased sorbitol synthesis」 西北农林科技大学果树逆境生物学团队李明军副教授为该论文的第一作者，美国康奈尔大学 Cheng Lailiang 教授为通讯作者。



该研究发现，在苹果中降低山梨醇合成关键酶 MdA6PR 的表达后，转基因苹果叶片中的山梨醇含量降低了近 80%，蔗糖含量升高。在整个果实发育期，山梨醇输入的降低和蔗糖输入的增加显著提高了转基因苹果果实中葡萄糖含量，而果糖、蔗糖、淀粉含量无明显变化。相应的转基因苹果中山梨醇代谢下调（尤其 SDH 和 FRK），而蔗糖的分解能力上调，以补偿源自山梨醇的果糖减少量。在转基因苹果中，这种糖代谢（FRK 下调，SUSY 上调）和运输系统（TST 表达上调）的变化导致了果糖和蔗糖含量的稳态，并且引起了葡萄糖的积累。本研究证明，在含有山梨醇合成的蔷薇科等植物果实中糖代谢具有明显的可选择性和灵活性，且蔗糖循环和糖转运在果实糖含量调控中起重要作用。


图1 | 山梨醇合成受抑的转基因苹果果实中糖含量及代谢的变化

2. 「Increasing activity of MdFRK2, a high affinity fructokinase, leads to upregulation of sorbitol metabolism and downregulation of sucrose metabolism in apple leaves」西北农林科技大学博士研究生杨静静为该篇论文的第一作者，李明军副教授为通讯作者，果树逆境生物学团队负责人马锋旺教授、康奈尔大学 Cheng Lailiang 教授和澳大利亚纽卡斯尔大学 Ruan Yong-Ling 教授是本文的共同作者。



在第一项研究中，研究人员发现果糖激酶（FRK）可能参与了苹果果糖含量的调控，且在苹果中 FRK 基因存在特殊性。在本研究中，通过对苹果 FRK 家族成员分子进化、组织器官特异性表达模式、亚细胞定位、酶学特性分析表明，MdFRK2 对果糖具有强的的亲和力和催化活性，是苹果中果糖磷酸化的主导基因，决定 FRK 的活性。过表达 MdFRK2 基因后，转基因苹果叶片中果糖、葡萄糖和蔗糖含量均有降低。进一步研究发现，MdFRK2 转基因苹果叶片中山梨醇合成及降解能力加快，以补偿果糖代谢流的加快，但蔗糖合成及降解的酶活性降低，导致蔗糖和葡萄糖含量降低。这一研究表明，苹果中 MdFRK 调控着果糖含量，且 MdFRK2 具有强的果糖催化能力与苹果库器官中高的果糖碳流代谢相关，同时结合山梨醇合成抑制转基因苹果的研究结果，提出果糖含量的稳态和信号在苹果中处于非常重要的地位，可调控糖的代谢。



据悉，该两项研究受到了国家自然科学基金（31372038）和国家农业产业体系专项资金项目（CARS-28）的资助。