对比转录组分析揭示西瓜果实可溶性糖 和有机酸积累的关键基因

高磊 赵胜杰 路旭强 何楠 朱红菊 豆峻岭 刘文革

目的与意义：可溶性糖、有機酸和芳香是果实风味物质的重要成分，对果实的感官品质具有重要影响。可溶性糖和有机酸的组分与含量对果实的感官品质起决定作用。果实品质改良是西瓜育种项目的重要目标。目前，对西瓜果实发育过程中有机酸的研究较少，参与有机酸积累和代谢的相关基因还未见报道，可溶性糖和有机酸如何进行相互转化还不清楚。因此笔者通过测定近等基因系材料中西瓜果实不同发育时期的可溶性糖和有机酸含量，结合转录组测序分析，对参与西瓜果实发育和成熟过程中可溶性糖和有机酸积累与代谢过程的差异表达基因进行筛选和鉴定，为西瓜品质分子育种奠定理论基础。

材料与方法：以中国农业科学院郑州果树研究所多倍体西瓜课题组经过多代自交的西瓜栽培品系‘203Z和具有果实酸味的近等基因系‘SW为试验材料，分别取开花授粉后10  d（C1和D1）、18d（C2和D2）、26 d（C3和D3）和34 d（C4和D4）的果肉，其中C代表‘203Z，D代表‘SW，液氮速冻后保存。采用离子色谱法对果实中的可溶性糖和有机酸含量进行测定。使用深圳华大基因BGISEQ-500测序平台进行cDNA文库构建和测序，对原始数据过滤后，使用比对软件Bowtie2，将clean reads比对到参考基因，使用HISAT）将clean reads比对到参考基因组，使用RSEM工具（Florea et al.，2013）进行基因表达定量，NOISeq（Tarazona et al.，2011）软件包用于筛选具有生物学重复的两组间差异表达基因，对差异表达基因进行GO和KEGG通路富集分析。

结果与分析：（1）西瓜果实中的可溶性糖主要是果糖、蔗糖和葡萄糖，苹果酸和柠檬酸是主要有机酸，其次是草酰乙酸。同一个发育时期的果实相比，‘203Z果实中心可溶性固形物、蔗糖、葡萄糖和果糖的含量都要稍高于其近等基因系‘SW，但二者的变化趋势一致。‘SW果实中苹果酸、柠檬酸和草酰乙酸的含量都要显著高于同一个发育时期的‘203Z，但pH低于同时期的‘203Z，果实中有机酸含量的动态变化趋势在‘203Z和‘SW上是一致的。（2）对转录组数据中的差异表达基因进行分析，发现参与糖代谢的基因包括3个蔗糖合成酶基因，1个蔗糖磷酸化酶基因，4个β半乳糖苷酶基因，7个果糖二磷酸醛缩酶基因和4个棉子糖合成酶基因。共有10个DEGs参与有机酸的代谢过程，包括6个苹果酸脱氢酶基因，1个苹果酸合成酶基因，1个铝介导的苹果酸转运因子，1个柠檬酸合成酶基因和1个ATP柠檬酸裂解酶基因。

结    论：在这项研究中，测定西瓜不同发育时期的果实样品中可溶性糖和有机酸含量，证实西瓜果实中的可溶性糖主要是果糖、蔗糖和葡萄糖，有机酸主要是苹果酸和柠檬酸;对果实不同发育时期的RNA样品进行转录组测序和分析，鉴定几个关键的差异表达基因参与西瓜果实中可溶性糖和有机酸的代谢过程。这是以近等基因系西瓜为试验材料进行比较转录组分析的第一篇研究报告，对加深理解西瓜果实发育和成熟过程中可溶性糖和有机酸代谢的分子机制具有重要的参考价值。