发育过程中不同倍性西瓜果实番茄红素合成 基因表达及内源激素合成差异的研究

豆峻岭 袁平丽 赵胜杰 何楠 朱红菊 高磊 姬万丽 路绪强 刘文革

目的与意义：番茄红素是一种强抗氧化剂，其抗氧作用是维生素E的100倍，西瓜中富含番茄红素，而且西瓜果实中的番茄红素鲜食即可被人体直接吸收而产生保健作用。有研究表明，三倍体无籽西瓜及同源四倍体西瓜的番茄红素、瓜氨酸和维生素C等次生物质含量显著高于其二倍体祖先。西瓜多倍体为什么会产生这些优势？其多倍体优势机制是什么？本研究通过对不同倍性西瓜果实发育不同时期番茄红素的积累差异、合成酶基因的表达差异和不同基因剂量酶基因的转录调控差异以及与番茄红素相关内源激素的积累差异进行分析，以期从基因表达水平上阐明多倍体西瓜高番茄红素含量的分子机制。

材料与方法：以不同瓤色纯合的同基因型不同倍性西瓜品种作为材料，二倍体（2n=2X=22）西瓜品种‘蜜枚（红瓤）、‘黄枚（黄瓤）分别经人工诱导形成四倍体（4n=4X=44），然后再与各自的二倍体杂交形成纯合的三倍体无籽西瓜品种‘蜜枚、‘黄枚（3n=3X=33）。从授粉后10 d开始采取果肉样品，每次每个品种取3个长势及坐瓜节位相近的果实，切开去籽后取果实中部瓜瓤样品。单瓜采样，每隔5 d采1次样，直到果实过熟（授粉后40 d）。样品分2份，1份将样品匀浆成汁后保存于-20℃用于番茄红素的测定，另1份液氮速冻后保存于-80℃用于RNA提取。每个瓜瓤样品重复测定3次。以高效液相色谱（HPLC）法测定西瓜果实中番茄红素含量。以实时荧光定量PCR法对番茄红素合成基因（PSY， PDS， ZDS， CRTISO， LCYb）进行不同倍性不同发育时期的荧光定量分析。以ELISA（酶联免疫吸附实验）法测定果瓤中内源激素含量。

结果与分析：（1）黄瓤品种中番茄红素一直维持在较低的水平。同一基因型不同倍性间的红瓤品种番茄红素含量表现为多倍体大于二倍体，在发育后期，红瓤西瓜的番茄红素含量都表现为三倍体大于四倍体，四倍体大于二倍体。（2）红瓤西瓜在整个生长发育过程中PSY的表达量一直表现为四倍体>三倍体>二倍体，在授粉后25 d时各个倍性PSY的表达量都达到最大值，在所研究的5个基因中，PSY的表達量在各个生长发育期几乎都是最高的，尤其在授粉后25 d，不同倍性间PSY的表达量远远高于其它基因。（3）在整个发育过程中，红瓤西瓜PDS、ZDS、CRTISO的表达量几乎都大于黄瓤西瓜，而PSY基因在黄瓤西瓜中的表达量较高，LCYb的表达量在发育前期表现为红瓤大于黄瓤，发育后期黄瓤大于红瓤。（4）在果实发育初期，IAA是5种激素中含量最高的，普通二倍体西瓜的生长期一般为35 d左右，到达过熟时二倍体和四倍体（授粉后40 d）IAA含量都有所降低，而三倍体中IAA含量却有所升高。对于二倍体西瓜来说，幼果期， IAA、GA、ZR含量相对较高，而ABA含量较低，在后期ABA的含量一直维持在较高的水平。整体来说，果实发育前期，IAA和GA含量较高，ABA含量相对较低;到果实发育后期，IAA含量继续增加、GA水平低落，而ABA含量再次上升，此时ABA的上升比GA下降所起的作用大。GA和番茄红素的合成共用同一底物，GA的含量在不同倍性西瓜发育过程中呈现逐渐降低的趋势，这和番茄红素的积累呈负相关。

结    论：（1）各基因的最高表达量都出现在授粉后25 d，说明授粉后25 d是番茄红素积累的关键时期。（2）PSY和LCYb是西瓜果实番茄红素积累的关键基因。（3）PSY、LCYb和CRTISO在红瓤西瓜中表现为二倍体大于多倍体，黄瓤西瓜中表现为多倍体大于二倍体，我们推测不同倍性间番茄红素含量的差异和瓤色有关，而这3个基因可能起着主导作用。（4）GA和番茄红素合成共用同一底物，它们之间的负相关说明GA的积累和番茄红素合成之间的关系较为密切。