西南大学曾凯芳教授等：AP2/ERF转录因子调控果蔬采后病害的作用研究进展
2022-11-04作者：来源：食品科学杂志责任编辑：食品界
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植物在进化过程中为了适应环境而逐渐在体内形成复杂的胁迫应答信号传导网络，以提高植物对低温、高温、虫害、病害等各类非生物和生物胁迫的抗性。新鲜果蔬是常见的食用类植物，是居民膳食的重要组成部分，但因富含水分和糖类，常常在采后及贮藏运输过程中受到各种生理性病害和侵染性病害的影响而发生腐烂变质。为了响应采后病害的胁迫，果蔬中存在复杂的调控网络，以增强果蔬对采后病害的抗性。
已有研究表明，AP2/ERF转录因子超家族在果蔬响应各种采后病害中起着重要作用，该家族转录因子可参与调控果蔬的生长发育，并对各类生物和非生物胁迫作出响应。为了明确AP2/ERF转录因子对果蔬采后生理性病害和侵染性病害的调控作用，西南大学食品科学学院的李 婷、曾凯芳*等对AP2/ERF转录因子及其在果蔬中的分布和数量进行了概述，并阐明了其响应果蔬采后生理性病害和侵染性病害的作用及机理，介绍AP2/ERF转录因子在香蕉、黄瓜、辣椒等果蔬中响应采后病害的研究进展，以期为研究其他果蔬中的AP2/ERF转录因子以及利用AP2/ERF转录因子增强采后果蔬对病害的抗性提供参考。
AP2/ERF转录因子的结构中存在着1 个或2 个特有的AP2 DNA结合结构域，该结构域含有60～70 个高度保守的氨基酸残基，由1 个β-折叠和平行β-折叠的α-螺旋组成，根据该结构特点将其定义为AP2/ERF转录因子超家族。AP2结构域中YRG（氨基酸序列）和RAYD（氨基酸序列）元件在DNA结合活性中起着重要作用，位于结构域N端的YRG元件由约20 个亲水性氨基酸残基组成，可通过碱基和亲水性基团促进DNA结合；位于C端的RAYD元件包含约40 个残基，可通过α-螺旋来介导蛋白质与蛋白质的相互作用或通过α-螺旋的疏水面与DNA沟相互作用促使其与DNA结合。AP2/ERF转录因子最初是从模式植物拟南芥中分离出，随着对AP2/ERF转录因子的深入研究，除了烟草、拟南芥等模式植物外，目前已基本完成了对梨、枣、猕猴桃、萝卜、芹菜等果蔬中AP2/ERF转录因子家族的全基因组鉴定。例如，在龙眼中共存在125 条AP2/ERF转录因子，其中101 条属于ERF/DREB亚家族，19 条属于AP2亚族，4 条属于RAV亚族，1 条为Soloist亚族。Karanja等在萝卜中共发现了247 条AP2/ERF转录因子，其中113 条属于ERF亚家族，99 条为DREB亚家族，25 条为AP2亚家族，9 条为RAV亚族，1 条为Soloist亚族，具体数据如表1所示。2 、AP2/ERF转录因子对果蔬采后生理性病害的调控
果蔬采后常利用低温保鲜来延长贮藏期，然而不同品种果蔬的最佳贮藏温度存在差异。在低温条件下，起源于热带和亚热带的果蔬产品的正常生理活动和组织结构极易受到影响而发生冷害；当果蔬组织处于冰点以下的环境中时，细胞会结冰破裂，果蔬表面出现变色以及坏死而发生冻害。目前对于AP2/ERF转录因子在果蔬采后冷害胁迫中的调控作用已有相关的研究，而在果蔬采后冻害中的调控尚不明确。当温度低于13 ℃时，香蕉果实便会发生冷害，香蕉中的转录因子MaERF10可以响应低温胁迫和茉莉酸甲酯（MeJA）的处理，MaERF10与MaJAZ3可通过蛋白互作来协同抑制JA生物合成相关基因的表达，在MeJA诱导的香蕉果实响应低温胁迫中起负调控作用。苹果中MdERF72是ET正调控转录因子，对过表达MdERF72的苹果愈伤组织进行低温处理，发现转基因苹果愈伤组织的生长势明显好于野生型，MdERF72可显著增强苹果耐冷性。枇杷果实发生冷害反应时会出现严重的果肉木质化现象，在0 ℃贮藏可显著诱导枇杷EjERF27、EjERF30、EjERF36和EjERF39的表达上调，其转录水平与果肉木质化呈正相关，其中EjERF39可结合并激活木质素生物合成基因Ej4CL1启动子区域DRE元件，还可与EjMYB8形成蛋白复合物并对Ej4CL1的激活起到协同增效作用，在低温下促进枇杷果实木质化，从而加剧枇杷果实的冷害。热水处理是果蔬采后贮藏保鲜常用的物理方法，但是如果温度控制不当，果蔬硬度等品质指标在高温下会受到严重影响。高温处理会促进猕猴桃果实的软化，从而加速果实品质劣变。高温处理时，猕猴桃果实中AdERFs的表达模式变化较大，其中AdERF7、AdERF9和AdERF10的表达均与高温胁迫有关；对茄子中33 个SmERFs转录因子进行研究发现，大多数SmERFs都受胁迫诱导表达，在高温处理下，SmERF16、SmERF18等基因表达持续上调，诱导茄子对高温胁迫作出响应。褐变会影响果蔬在采后贮藏过程中的外观和营养价值，减少其抗氧化成分，并降低其营养价值。酶促褐变是果蔬发生褐变的主要原因。在‘皇家嘎拉’苹果中，ERF106在MYB10的激活下显著上调表达，并通过激活ET生物合成相关关键基因ACS和ACO的表达来调控ET的生物合成，提高了多酚氧化酶的活力，从而促进了苹果果实的褐变。莲藕NnERF5在低温、二氧化碳气调包装和真空条件下的表达均被抑制，与莲藕的褐变进程一致，且NnERF5和NnPAL1的表达量存在显著相关性，由此推测NnERF5下调可抑制NnPAL1基因的表达，调控苯丙氨酸解氨酶（PAL）活力，从而参与对莲藕褐变的调控。AP2/ERF转录因子调控果蔬对高CO2伤害的响应
果蔬贮藏环境中CO2含量过高会引发高CO2伤害，使果蔬表面或果肉组织出现褐斑并脱水萎蔫。柿果实利用高CO2进行采后脱涩的同时也有可能导致果实过度软化而造成损耗，Wu Wei等发现DkERF8和DkERF16可对下游编码半纤维素降解相关酶的DkEGase1基因启动子起到转录调控作用，推测ERFs可通过参与柿果实脱涩软化过程的纤维素和半纤维素降解来响应高CO2处理；高CO2处理猕猴桃时，AdERF4和AdERF6也会被诱导表达，以响应胁迫。3、AP2/ERF转录因子对果蔬采后侵染性病害的调控
由真菌侵染导致的病害是水果采后腐烂的主要原因之一，例如，由葡萄座腔菌（Botryosphaeria dothidea）引起的苹果轮纹病是我国苹果生产中的重要病害。Wang Jiahui等发现侵染B. dothidea的苹果果实中MdERF11基因表达量明显上升，过表达MdERF11可提高苹果愈伤组织中的SA含量并可诱导SA合成途径与信号途径中EDS1、PAL、PR1、NPR1等基因的表达，从而激活防御响应，增强了抗病性，MdERF11沉默则会降低其抗病性。此外，转录因子MdERF113也参与了对苹果轮纹病侵染的防御响应，其调控作用可能与MdERF11相似。中国野生毛葡萄‘丹凤-2’中VqERF112、VqERF114和VqERF072可以积极响应生物胁迫，这3 个转录因子可通过诱导下游响应SA信号的抗病相关基因AtNPR1、AtPR1、AtICS1和响应JA/ET信号的抗病相关基因AtPDF1.2、AtLOX3、AtPR3、AtPR4表达上调，以增强葡萄对灰霉病的抗性。水果中细菌性病害的发生大多数只存在于采前，如苹果和梨果实梨火疫病、柑橘溃疡病和黄龙病、芒果黑斑病、桃和李果实细菌性穿孔病、西瓜细菌性角斑病和细菌性果斑病等病害，目前对AP2/ERF转录因子调控水果细菌性病害的研究主要集中于果树植株病害，如桃ERFs在果树细菌性穿孔病的防御中起正调节作用，苹果中MdERF100在拟南芥中过表达提高了拟南芥对白粉病的抗性，而对于AP2/ERF在果实采后贮藏过程中调控细菌性病害的研究还鲜有报道。在蔬菜中，茄子青枯病是由茄科类雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）侵染引起的病害，R. solanacearum侵染茄子后，24 个SmERFs的表达水平发生变化，对其中显著表达的8 个SmERFs构建沉默体系，发现SmERF66和SmERF88参与茄子对青枯病抗性的调控。木薯极易受到病原菌的侵染而发生细菌性枯萎病。当病原菌侵染时，启动子区域均含有胁迫响应元件的MeERF08、MeERF33、MeERF56等多个转录因子均可作出响应，可在强致病菌株中被诱导表达并在弱致病菌株中被抑制表达，从而对病害侵染起到转录调控作用。4、AP2/ERF转录因子对果蔬采后病害的调控机理
AP2/ERF转录因子是连接植物激素信号的关键调节因子，其主要是依赖于SA、ET、JA等植物激素信号途径来对果蔬病害进行调控。SA是介导植物防御的常见激素，SA信号途径可激活植物系统获得性抗性（SAR），并伴随着ROS的积累，通过激活SA信号途径中抗病相关的标志基因，包括诱导一系列PRs基因如PR1、PR2等的表达，从而参与对病害的调控。在ET介导的胁迫应答信号传导途径中，AP2/ERF转录因子作为ET响应因子，在下游起着重要的调控作用。1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶（ACS）调控ET的生物合成，ET被各类ET受体识别并与其结合后，抑制了与受体关联的CTR1（constitutive triple response 1）激酶的活性，从而无法对EIN2（ethylene insensitive 2）的C端起到磷酸化作用。EIN2进入细胞核后可以激活转录因子EIN3，EIN3可激活下游ERF1等转录因子的转录表达，进而对信号通路中其他ET应答基因起到转录调控作用。JA作为高等植物体内的生长调节物质，参与植物各项生理活动，其生物合成和信号传导与植物抗性密切相关。JA/ET介导的信号途径可触发诱导系统抗性，并可激活PR1b、PR3、PR4等病程相关基因。在植物中，细胞壁是抵御逆境胁迫和病原菌侵染的一道物理屏障，也是信号传递过程中必不可少的一部分，在防御响应中起着重要作用，而AP2/ERF转录因子主要通过介导木质素生物合成途径来参与细胞壁防御能力的调控。植物中ERF139可通过诱导LAC5、LBD15、MYB86等次生细胞壁合成相关基因的表达来参与木质素合成途径，木质素的积累及其与纤维素和半纤维素之间形成的网状结构增强了物理屏障，从而增强了植物对胁迫的抗性。枇杷转录抑制因子EjAP2-1的表达与果实木质化呈负相关，该转录因子与木质素生物合成相关的EjMYB1和EjMYB2存在互作，并对木质素合成相关基因Ej4CL1启动子的表达具有抑制作用，通过抑制木质素的生物合成来减弱枇杷果实在低温下的木质化现象。磷酸化对于ERF转录因子响应生物胁迫也是一种重要的调控形式，防御相关基因所编码的Pti4可被PTO激酶特异性地磷酸化，从而增强Pti4与下游靶基因的结合。当病原菌激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联信号通路后，会触发SA、JA等激素信号途径，通过ERF转录因子表达水平的变化来介导防御相关基因的表达，激活防御相关酶的活力和诱导抗菌物质的累积，进而调控果蔬物理屏障和生化防御反应以响应病害侵染。
AP2/ERF转录因子还常与其他转录因子通过相互作用形成蛋白复合体，对下游靶基因起到协同或拮抗的调控作用。如图1所示，柿果实采后脱涩的过程中DkERF8和DkERF16可通过与DkNAC9蛋白相互作用而形成复合体，对下游基因DkEGase1启动子的调控起到协同增效作用，表明ERF可通过与NAC转录因子的互作参与柿果实对高CO2处理的响应。总的来说，AP2/ERF转录因子在果蔬响应采后生理性病害和侵染性病害的过程中起着重要的调控作用，该家族转录因子主要依赖于植物激素等信号途径来诱导或抑制下游防御相关基因的表达，并伴随着抗氧化防御系统的激活、PRs蛋白的积累、细胞壁防御能力增强以及磷酸化作用等抗病途径的变化，从而调控果蔬对低温伤害、酶促褐变、真菌及细菌侵染性病害等采后病害的抗性。目前对于AP2/ERF转录因子在调控抗病性方面的研究较多的是水稻、烟草、拟南芥等植物，在果蔬中的研究集中于生长发育、成熟衰老方面，对于AP2/ERF转录因子调控果蔬采后病害的作用及机理需要进一步深入探究。已有研究发现AP2/ERF转录因子在调控果蔬采后病害中大多起积极作用，对于加剧果蔬采后病害的转录因子所参与的调控网络仍需进一步完善。另外，随着分子生物学和高通量测序等技术的发展，通过基因工程选育抗性品种已成为部分农作物防治病害的重要手段，而对于在调控抗病性方面起着重要作用的转录因子其在基因工程育种方面的研究却存在较大的空缺。今后可以在现有研究方法的基础上，利用分子生物学技术对更多其他品种果蔬中的AP2/ERF转录因子及其在采后病害调控中的功能进行研究，并进一步明确AP2/ERF转录因子调控果蔬采后病害所参与的信号传导途径，重点关注AP2/ERF转录因子对于生理性病害和侵染性病害调控机制的异同、在联合多个信号途径进行调控过程中的作用及机制以及AP2/ERF转录因子与其他家族转录因子共同调控时所参与的抗病信号途径及可能机制。可通过基因过表达及沉默技术，从多角度考虑AP2/ERF转录因子在响应果蔬采后病害过程中所起到的作用。
曾凯芳，西南大学食品科学学院教授、博士生导师，重庆英才.创新创业示范团队《重庆市果蔬贮藏与物流创新创业示范团队》负责人；“西南大学食品贮藏与物流研究中心”主任；重庆市食品贮藏与物流研究生导师团队负责人。以色列Volcani研究中心、美国康奈尔大学、比利时鲁汶大学访问学者。中国园艺学会采后科学与技术分会常务理事，中国振动工程学会包装动力学专业委员会常务理事，中国植物病理学会产后病理专业委员会委员，中国生物工程学会食品生物技术专业委员会专家委员，农业部农产品冷链物流标准化技术委员会委员。主要研究方向为食品贮藏工程，研究领域为生鲜农产品贮藏与物流学。发表相关学术论文200余篇，获授权国家发明专利15项，主持国家自然科学基金项目6项，国家重点研发计划/国家科技支撑计划课题2项，子课题3项。
李婷，女，硕士研究生，毕业于西南大学食品科学学院，专业：食品科学；本科就读于四川师范大学生命科学学院，专业：食品质量与安全。本科阶段多次获得校级学习奖学金，“三好学生”、“优秀学生干部”、“优秀大学毕业生”等荣誉称号；参与课题项目荣获四川省大学生生物与环境科技创新大赛一等奖。研究生阶段获得了三次一等学业奖学金、“研究生校园文化先进个人”荣誉称号；研究方向为果蔬采后生物学，参与国家自然科学基金面上项目1项，参与重庆市技术创新与应用发展专项重点项目1项，发表学术论文1篇。
本文《AP2/ERF转录因子调控果蔬采后病害的作用研究进展》来源于《食品科学》2022年43卷15期312-319页，作者：李婷，王文军，陈鸥，姚世响，曾凯芳。DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20210727-324。点击https://www.spkx.net.cn/article/2022/1002-6630/2022-43-15-036.html即可查看文章相关信息。
