禾稼春团队再出新成果：苹果血红素合成关键基因铁螯合酶编码基因MdFC2作为正向调节因子参与ALA诱导的花青苷合成

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一种新型植物生长调节物质，能够促进多种果实花青苷合成。现有研究表明，MYB、WRKY、MADS、NAC、EFR等转录因子参与ALA诱导的苹果花青苷合成。但是，ALA代谢本身是否参与果实花青苷积累过程，迄今还未见报道。为明确这一可能性，本研究通过遗传学、药物学和分子生物学手段研究揭示，ALA代谢至血红素的铁螯合酶编码基因MdFC2在ALA诱导花青苷合成过程中发挥着重要作用。

1）苹果MdFC2进化树分析

在苹果（Malus × domestica）基因组中，血红素合成酶（FC）存在两种亚型，即FC1和FC2。RT-qPCR结果显示，ALA能显著增强MdFC2的转录水平（图1A）。为了深入理解不同物种FC基因的亲缘关系，我们构建了一个包含11个物种的FC基因系统发育进化树（图1B）。结果显示，这些物种FC均由两个基因编码。哺乳动物两种FC蛋白均定位于线粒体，可分为亚型1和亚型2。在高等植物中，FC1是管家酶，负责包括质体和线粒体在内的整个细胞血红素供应，而FC2则主要参与叶绿体光合机构血红素合成。植物FC1与FC2之间的差别主要体现在N端和C端的氨基酸序列。在包括单子叶、双子叶以及草本和木本植物在内的8种高等植物中，FC2的C端有超过80个氨基酸残基相似度高达94.30%。在这高度保守区域中，有23个氨基酸残基属于类囊体膜光捕获复合物（LHC），暗示着FC2蛋白除了螯合铁离子生成血红素外，还与叶绿体的吸光特性有关。这是FC1蛋白所不具备的。此外，亚细胞定位分析显示，35S::MdFC2 的GFP信号与叶绿素分布一致，证实MdFC2是一种叶绿体蛋白（图1C）。

 苹果FC表达对ALA的响应及其氨基酸序列结构与特征分析

2）ALA正向调控苹果MdFC2的表达

光照条件下，苹果叶片和愈伤细胞花青素含量上升，外源ALA处理进一步促进花青苷积累，而且ALA诱导的果皮花青素积累与MdFC2基因表达存在着正相关关系。将MdFC2启始密码子上游2000 bp启动子序列克隆到GUS报告基因上游，瞬时转化苹果叶片，并用ALA处理。结果发现，ALA处理显著提高MdFC2启动子的转录活性，说明MdFC2表达受到ALA正调控（图2）。

 ALA正向调控苹果MdFC2的表达

3）MdFC2介导ALA诱导的花青苷积累

为了解析MdFC2在ALA诱导的苹果花青素积累中的功能，我们构建MdFC2过表达（OE-MdFC2）和干扰表达（RNAi-MdFC2）载体，经农杆菌瞬时转化至苹果果皮或叶片，或者稳定转化至‘王林’苹果愈伤组织。结果表明，OE-MdFC2显著提高苹果花青素含量，ALA具有协同增效作用；相反，RNAi-MdFC2导致苹果花青素含量显著降低，而ALA能缓解这种抑制效应，说明MdFC2是ALA诱导苹果花青苷合成过程中的关键基因。

MdFC2参与ALA诱导苹果花青苷的生物合成功能分析

4）DPD抑制ALA诱导的花青素积累

为了进一步验证MdFC2在ALA诱导花青苷的过程中的作用，我们用2,2‘-二硫代二吡啶（DPD，一种铁螯合酶活性抑制剂）处理苹果叶片以及愈伤组织。结果显示，与ALA单独处理相比，无论哪个体系，DPD均能抑制花青苷积累。再次印证，MdFC2为ALA诱导苹果花青苷积累所必需。

 MdFC2参与ALA诱导苹果花青苷的生物合成功能分析

综上所述，我们报道血红素合成关键基因MdFC2在ALA诱导的苹果花青素积累中起到重要作用。外源ALA显著促进MdFC2转录，后者进一步促进下游包括转录因子编码基因（如MdMYB10、MdTTG1和MdMADS1）、花青苷生物合成结构基因（如MdCHS、MdF3H、MdDFR、MdANS和MdUFGT）以及转运基因（如MdGSTF12和MdMATE8）表达。这些结果表明，ALA调节花青素积累可能涉及多个介入点以及多条信号传导途径。这为ALA促进苹果花青素积累机制研究提供了新的视角。它不仅丰富了我们对苹果花青素生物合成调控网络的认识，也为ALA在果品生产上应用提供了新的理论依据。

作者及团队简介

论文作者为南京农业大学果树学硕士研究生尹一凡，博士生张留孜和科研助理张建婷为共同作者，南京农业大学园艺学院汪良驹教授和仲岩副教授为通讯作者。

汪良驹教授是江苏省植物生理学会植物生长物质与生长调控委员会主任。他于2000年起开始从事ALA在农林作物抗逆增产提质效应及其生物学基础研究。其研发的产品“金村秋”、“禾稼春”和“秀果美”等已经大面积应用于20多个省市区农业生产区。其团队先后获得20多项政府专项资金资助，在国内外学术期刊发表与ALA有关研究论文100余篇，授权专利20余项，处于5-A农业领域研究前沿。本文是团队成员相继在Molecular Horticulture, Horticulture Research, Horticultural Plant Journal 等期刊发表论文后的又一新成果。