科研 | Hort. Res.：解码苹果皮成熟过程中发生的海拔激活调控机制
编译：孙晓阳，编辑：Emma、江舜尧。
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苹果（Malusdomestica Borkh）是在多种环境条件下种植的重要水果作物。苹果果实成熟是一个生理过程，其对不同环境的分子调控网络反应仍未得到充分研究，果皮组织尤其如此。在这项研究中，通过生理测量结合苹果果实发育和成熟期间的代谢组学和蛋白质组学分析，评估了低海拔（20m）和高海拔（750m）相关的环境条件对果皮组织成熟的影响。尽管苹果果实成熟本身不受不同环境条件的影响，但高海拔条件下会明显引起一些关键的颜色参数，例如红色和颜色指数。与该观察结果一致，在高温下生长的苹果皮中发现花青素和其他酚类化合物的含量增加，包括花青素，槲皮素-鼠李糖苷，槲皮素-芸香糖苷和绿原酸。此外，高海拔环境的特征是各种碳水化合物（例如阿拉伯糖，木糖和蔗糖）的丰度升高，但谷氨酸和一些相关蛋白质（例如甘氨酸羟甲基转移酶和谷氨酸-乙醛酸氨基转移酶）的含量降低。受高海拔影响的其他过程是TCA循环，氧化/防御酶的合成以及光合蛋白的积累。从获得的数据中，构建代谢物-蛋白质网络，描述海拔高度对果皮成熟的影响。本文介绍的综合分析为将苹果皮成熟与主要环境条件联系在一起的生理过程提供了新见解。
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实验设计
通过生理测量结合苹果果实发育和成熟期间的代谢组学和蛋白质组学分析，评估了低海拔（20m）和高海拔（750m）相关的环境条件对果皮组织成熟的影响。从获得的数据中，构建代谢物-蛋白质网络，描述海拔高度对果皮成熟的影响。本文介绍的综合分析为将苹果皮成熟与主要环境条件联系在一起的生理过程提供了新见解。
实验结果
1. 在不同环境条件下生长的苹果果实的表型和生理特性
苹果果实在整个发育过程中的表型（图1a；在整个发育过程中的七个不同时间点拍摄了相同的果实），尤其是在收获阶段（图2）表明，海拔高度及其相关的气候因素对苹果果皮颜色具有强烈的影响。为了描述海拔高度与苹果果实发育之间的关系，分析了两个种植区的各种参数。数据显示，在两种环境条件下，处于不同发育阶段的苹果果实均显示出相似的生长方式（果实直径，鲜重，干物质）和成熟度（淀粉含量，硬度，可溶性固形物含量）（图1b）。数据表明，苹果的成熟状态不受海拔高度的影响。但是，通过各种参数（包括颜色明亮程度，红色，黄色和色相角）评估的苹果果皮颜色会因不同的环境条件而发生显着变化（图2）。因此，在高海拔地区，盛开（DAFB）后120、140和160天，外果皮颜色的百分比（％）增加了一倍以上，收获时高达苹果表面的92％阶段（160DAFB）。此外，在两个区域之间的花色指数中花色苷含量遵循相同的模式（图2）。
图1 采样策略和海拔高度对苹果“富士”果实成熟的影响
a在低海拔（20m）和高海拔（750m）区域的两个果园中，在不同的发育阶段（盛花后40、60、80、100、120、140和160天；DAFB）收集了果实。b海拔高度对苹果成熟特性的影响，即鲜重（g），果实直径（mm），淀粉含量（mgg-1FW），硬度（kg），可溶性固形物（％）和干物质（％）。竖线表示三个独立的生物学测量值在5％显着性水平上的最小显着差异（LSD），用于对不同高度（低和高）和时间点（DAFB）之间的均值进行比较，而垂直每个时间点的条形表示平均值的标准误差（SEM）。
图2 不同海拔条件下苹果果实的表型可塑性和颜色变化
在三个最终成熟阶段（盛花后120、140和160天；DAFB），颜色指数（%），花色苷含量（mg100 g-1FW），色相角（ho），亮度，海拔对表型的影响（L），两个环境不同区域（20和750m）之间的红色（a）和黄色（b）。竖线表示三个独立的生物学测量值在5％显着性水平上的最小显着差异（LSD），用于在不同高度（低和高）和时间点（DAFB）之间进行均值比较，而垂直每个时间点的条形表示平均值的标准误差（SEM）。具体来说，高海拔地区增加的代谢产物是碳水化合物糖阿拉伯糖，木糖，蔗糖，杜兰糖，塔洛糖，以及柠檬酸（有机酸）和乳糖醇（多元醇）。同时，高海拔地区丰度降低的代谢产物为富马酸，奎宁和苹果酸等有机酸，糖类鼠李糖和岩藻糖以及氨基酸谷氨酸。
2. 不同高度苹果皮的不同发育阶段的代谢组学分析
为了获得有关海拔高度对果皮代谢影响的信息，在低和高海拔环境下栽培的苹果DAFB为140（收获前）和160（收获期）下对主要代谢物和次要代谢物进行了分析（图3、4）。结果观察到，在两种环境之间的收获前和收获期，十三种主要代谢物的积累水平有所不同，其中七种和六种代谢物分别在高海拔地区显示出增加和减少的丰度（图3）。
次生代谢产物的分析进一步表明，在两种环境中检测到的16种多酚代谢产物中，在收获前和收获期两个区域之间有6种发生了显着变化（图4）。其中，绿原酸，槲皮素-芸香糖苷（芦丁），表儿茶素，槲皮素-3-奥罕诺糖苷（槲皮素），槲皮素-葡萄糖苷+半乳糖苷（SUM）的低海拔水平高量表达，而在高海拔地区生长的果皮组织中，花青素则是增加了（图4）。
图3 在低海拔和高海拔环境区域之间发育过程中对苹果皮主要代谢产物的调节
在低海拔和高海拔地区（20m和750m）之间，盛花后100天，120天，140天和160天，果皮组织中主要代谢产物的变化。与每种鉴定出的代谢物的log2比成正比的色标显示了低海拔区域和高海拔区域之间的倍数变化。在不同环境之间分析了每个区域三个独立测量的平均值。
图4 低海拔和高海拔对苹果果实发育过程中果皮次级代谢产物水平的影响
在低海拔地区和高海拔地区（20m和750m）之间盛开（DAFB）后100、120、140和160天，果皮组织中次生代谢产物的变化。与每种鉴定出的代谢物的log2比成正比的色标显示了低海拔区域和高海拔区域之间的倍数变化。在不同环境之间分析了每个区域三个独立测量的平均值。
3. 苹果皮蛋白的鉴定和定量
为了表征不同的苹果皮表型（图1a，2），在140和160DAFB阶段对果皮组织进行了比较蛋白质组学分析。共有3370种蛋白质得到了可靠的鉴定。鉴定出的蛋白质分为13个功能类别和14个亚细胞定位。
为了检查响应不同海拔环境的特定蛋白质变化，本文重点研究了两个发育阶段（140和160DAFB）在低海拔地区和高海拔地区之间通常受影响的蛋白质。在140DAFB阶段，高海拔地区有34种蛋白质的丰度增加，而37种蛋白质的丰度减少（图5c）。而且，在高海拔环境中，在160DAFB处有28种蛋白被下调，而43种蛋白被上调（图5c）。此外，高海拔地区在两个阶段都抑制了27种常见蛋白质，而在两个发育时间点都增加了33种蛋白质（图5c）。此外，高海拔该区域在收获前抑制了10种蛋白质的丰度，而相同的蛋白质在收获期被上调。最后，在收获前的高海拔地区，亚种定位于叶绿体的一种蛋白质（大亚基核糖体蛋白大分子L13e）被上调，但随后在收获时被下调（图5c）。
图5 在不同成熟阶段，受海拔高度影响的苹果皮蛋白质的时间积累模式
受海拔高度影响的蛋白质（71种蛋白质；请参见下文图5b）的功能分类，其特征在于收获前（140 DAFB）和收获（160 DAFB）时间点之间存在重叠。颜色代码代表已识别蛋白质的功能类别。显示了每组蛋白质的总数。b维恩图显示收获前和收获时（202个蛋白质）时受海拔高度影响的蛋白质数，以及这些条件之间的重叠（71个蛋白质）。“ +”或“-”符号分别表示上调或下调的蛋白质数量。c热图，显示了图5b中重叠蛋白质的积累曲线。与每种鉴定的蛋白质的log2比成正比的色标显示了低海拔和高海拔区域之间的倍数变化。在不同环境之间分析了每个区域的三个独立生物学测量值和三个技术测量值的平均值。
4. Model
在此基础上，作者提出Model，解释了低海拔与几种关键的成熟因子之间的联系，其中包括各种光合蛋白（例如PSBO1/2/3，TROL和PSAE）的丰度以及谷氨酸的状态相关的新陈代谢。另一方面，高海拔诱导苹果皮成熟期间的花青素和碳水化合物的生物合成（图6）。有趣的是，果园海拔高度对温度，光照，湿度和其他因素有深远影响，而这些因素对苹果皮的新陈代谢具有直接影响。基于先前在苹果果实上发表的工作以及此处研究的两个站点的气象数据，可以假定大多数与颜色有关的表型变异性都可以与不同的气温和紫外线水平，都与海拔高度密切相关。由于整个果皮的新陈代谢受几个参数控制，因此，与海拔高度相关的新陈代谢的整体变化（图6）不太可能与单个环境因素有关。因此，为了确定参与苹果皮成熟代谢的特定环境刺激，需要进行大量的进一步工作，以便对我们的观察结果的基础机制有进一步的了解。
图6 与海拔梯度相关的苹果皮关键代谢产物-蛋白质变化的发展模型
在每个海拔高度特别诱导的代谢物-蛋白质网络的示意图。“-”和“ ---”箭头分别表示代谢物和蛋白质与网络的连接。
评论
本项工作提供了洞察苹果皮在不同成长环境整个发育过程中发生的代谢变化的独特见解。数据显示，低海拔地区能够生产出与高海拔地区相同品质的苹果果实，除了强烈的红色果皮色。这意味着苹果的果肉和果皮以成熟的自主方式起作用。本文结果证明每个海拔高度都与整个果实发育过程中蛋白质和代谢产物的特定变化有关。