植物生理与分子生物学：果实发育 (Fruit development)

果实发育(Fruitdevelopment)提纲果实ABC果实发育阶段—

花发育果实发育阶段—

果实形成果实发育阶段—

果实生长果实发育阶段—

果实成熟果实的主要营养成分ComponentRange(%)CommentsWater97-70Influencedbycultivationandpost-harvestconditionsCarbohydrates25-3Sugarsandpolymers-pectin,hemicellulose,celluloseProtein5-traceMoreinoilyfruitandseedsLipids25-traceTracesincellmembrane,inseeds,highinavocadoAcids3-traceCitric,tartaric,malic,lactic,acetic,ascorbic+minorPhenolics0.5-traceTanninsandcomplexphenolsVitamins0.2-traceWatersoluble>fatsolubleMinerals0.2-traceSoilandspeciesdependentDietaryfiber<1to>15PeelandcoredependentPigments0.1-traceCarotenoids,anthocyanins,chlorophyll(Freshweightbasis,2000USDA)果实类型/什么是果实?定义:

植物学上，果实是被子植物由花特定组织发育而来的一个器官。广义来讲，水果指可生食，多汁，有酸、甜味的果实。类型（根据花器官来源）：单果(simplefruits;apocarpous),fromasingleflowerw/separatecarpels(tomato,pepper)集合果(aggregatefruits;syncarpous),fromasinglegynoeciumw/fusedcarpels(strawberry).复果(compositefruits;multiple),frommanydifferentflowers,usuallyaninflorescene(pineapple).其它分类：真果和假果（根据花的结构）坚果和鲜果（果实的物理特征）Q:稻谷和麦粒是果实吗?果实发育研究的主要模式植物干果(dryfruit)拟南芥

(裂果/dehiscentfruit)水稻、玉米(颖果)鲜果(Fleshyfruit)番茄

(呼吸跃变型)草莓(非呼吸跃变型)苹果(梨果/pomefruit,假果)TomatoStrawberryAppleRiceArabidopsis干果的结构（拟南芥）鲜果的结构（番茄）ExocarpMesocarpEndocarpPericarpPlancentaSeptumSeedFuniculus梨果的结构（苹果）Mesocarpamdexocarp:difficulttobedistinguished集合果的结构（草莓）复果的结构（菠萝）花序单花Planttissueconsumedasfruit(Coombe,1976;Kays,1991)果实发育—拟南芥为模式花发育:形态建成（拟南芥）BACSePeStCaTheclassicABCmodel花发育:生长（拟南芥）Arabidopsisbook花发育:胚珠的形成（拟南芥）果实形成:坐果（拟南芥）果实生长（拟南芥）果实成熟（拟南芥）裂果造成减产10-25%果实成熟的遗传调控（拟南芥）CLAVATA调控心皮数目FRUITFULL调控拟南芥果实的生长心皮融合（Carpelfusion）果实生长依赖生长极性运输PIN:Auxintransporter;PINOID:Kinase激素可诱导单性结实(parthenocarpy)Auxin:celldivisionandexpansionGA:cellelongationCK:celldivision+GA不依赖受精的果实发育FWFencodesAUXINRESPONSEFACTOR8TeaTime果实发育—番茄为模式具有非常丰富的性状变异较早建立了饱和的遗传图谱是典型的呼吸跃变型果实复叶结构基因组序列易遗传转化目前，番茄是研究果实大小、形状，以及果实成熟和代谢的主要模式植物现代番茄研究的先驱者CharlesM.Rick

(1915-2002)StevenTanksley著名的分子遗传学家第一个图位克隆基因最权威的番茄遗传学家TGRC的创建者番茄:果还是疏?CulinaryVegetablesBotanicFruits根据Nixv.Hedden,149U.S.

304(1893),美国高等法院裁定番茄是蔬菜而不是水果番茄花的发育(Xiaoetal2009)番茄果实发育时期的划分四个时期：坐果、细胞分裂、细胞伸长和果实成熟（Gilasphyetal1993PlantCell）果实发育始于受精Ruanetal2012Pollenextractcaninducefruitsetandgrowth(Gustafson,FG1939)植物激素可替代授粉促进果实生长(Pondolfinietal.2002)defH9-iaaMtomatoPollinated2mgGA0.2mg2,4-DSerranietal2007生产上，植物激素广泛应用于促进坐果和果实生长防落素：对氯苯氧乙酸---4-Chlorphenoxyacetic

acid；2,4-D坐果率高；2,4-D的浓度范围是8～15毫克/千克，防落素的浓度范围是10～50毫克/千克AmodelintegratingtheroleofauxinandgibberellinintomatofruitsetdeJongMetal.J.Exp.Bot.2009;60:1523-1532番茄果实的形成和生长FlowerDev.FruitsetCellDivisionCellExpansionRipeningSeedmaturation果实大小主要由细胞数目和细胞大小所决定果实早期的生长主要是细胞分裂和细胞伸长Tanksley2004PlantCell果皮的生长也是一个主要特征Datasource:K.GouldandI.B.FergusonKiwifruit果皮的生长伴随着细胞数目和大小的变化从开花到成熟，番茄果皮细胞数目增加2倍，而细胞大小增加30,000倍（可达0.5mm）与此对应的是，细胞倍性从2C增加到256C，甚至512C(Xiaoetal2009)细胞数目主要决定于有丝分裂Cellcycleregulationmediatedthroughdevelopmentalsignals.KomakiS,andSugimotoKPlantCellPhysiol2012;53:953-964FW2.2调控番茄果实的细胞分裂LA1589GiantRed(fw2.2)Fraryetal2000smalllargefw2.2是第一从植物中克隆的数量性状位点(quantitativetraitlocus,QTL)FW2.2与细胞周期调控激酶CKII互作Cong&TanksleyPlantMol.Biol.,62(2006),pp.867–880Cell.Mol.LifeSci.66(2009)1817–1829CKII在酵母及人中参与细胞周期调控、DNA修复等过程FW2.2同源基因参与玉米杂种优势GuoMetal.PlantCell2010;22:1057-1073ZmCNR1OEWTCNR：cellnumberregulatorFW3.2编码一个CYP78A亚家族的P450,SlKLUHChakrabartiMetal.PNAS2013;110:17125-17130fw3.2通过调控细胞分裂影响果实大小细胞大小常与其DNA倍性成正比PlantPhysiology2011vol.157no.42044-2055

胞内复制也参与玉米胚乳的发育不同果实具有不同的生长特征ChevalieretalAnnBot(2011)107(7):1159-1169.

番茄具有最显著的倍性变化番茄果皮细胞倍性变化rRNA转录随倍性水平的增加而增加胞内复制形成大核细胞Bourdonetal2012Dev胞内复制(endoreduplication)是细胞周期的一个变异胞内复制的生物学重要性细胞大小细胞分化胚胎发育抗逆境胞内复制非常保守，但主要发生在下列组织：代谢旺盛细胞分化胞内复制缺少M期，只有S和G期；它是细胞倍性变化的主要因素细胞周期的调控CDK活性被认为是决定有丝分裂向胞内复制转变的关键CDK活性阈值假设Mitoticcellcycle---endocycle的调控多个基因参与调控CYC-CDK活性Schematicrepresentationofendoreduplicationcyclecontrolinplants.ChevalierCetal.AnnBot2011;107:1159-1169改变细胞周期调控基因的表达影响果实的大小Cheviliaretal20132C64C果实细胞是否存在特有的胞内复制调控？Anthesis10dpa(Xiaoetal2009;ZhaoandXiaoInRevision)00.010.010.020.020.03RootStemLeafYFBAnFl510203040SlPZF1/eIF4a6Fruits(dpa)(A)(B)(C)(D)(E)(F)(G)0.00.30.60.91.2202204207Fruitweight(grams)NontransRNAi***NontransRNAi,20700.0050.0100.0150.020LA1781202204207SlPZF1/eIF4a6(H)(I)(J)Zhao&XiaoInRevisionSpPZF1

在番茄果实发育过程中特异表达于果皮细胞0.00.30.60.91.21.51.8204207Pericarpwidth(mm)**050001000015000200002500030000204207Cellsize(mm2)NontransTrans****(A)(B)(C)NontransRNAiZhao&XiaoInRevision102030NontransRNAi,2071.01.52.02.53.05102030dpaEINontransRNAi202RNAi207SpPZF1参与果皮细胞的胞内复制DPA(D)(E)FASCIATED

控制心室数目LA1589E6203JumboRedCongBetal2008番茄果实大小和形状的遗传调控大小和形状均受QTL位点控制分别有~30QTL(大小和形状）<10QTL控制了大部分变异Tanksley2004PlantCell质量性状vs

数量性状数量性状(Quantitativetraits)变异是连续的多个位点/基因控制(数量遗传）受环境影响大(GxE)质量性状(Qualitytraits)变异不连续(如有和无，紫色与白色等）多数情况下受1对基因控制受环境影响小数量性状表型数据的特点毕路路等，未发表P2P1Lippman&Tanksley2001Genetics进一步阅读参考文献：Lynch,M.&Walsh,B.1997.GeneticsandAnalysisofQuantitativeTraits.SinauerAssociates.QTL位点的克隆前基因组时代（prewholegenomeera）高密度遗传图谱（定位）图谱关键（MapMakeretc）表型与分子标记的关联分析（QTLchartographer、MapQTLetc）大片段基因组文库（BAC、YAC等）后基因组时代的图位克隆（postwholegenomeera高质量的参考基因组序列（reference）高通量、低成本的测序技术可以快速测定分离群体的DNA变异（SNP、Indel）多种方法：BSA、关联分析、RNA-seq等18.94LOD3.0TG499TG20TG183TG174CD5721J7CT52T42TG131ATG342CP520.0Chr.7SUNVanderKnaap&Tanksley,2001LA1589S.esculentumSun1642LWFruitshapeindex=L/W番茄果实形状的数量性状位点sun

SUN的图位克隆——染色体步行LibrarieswereconstructedwithLA1589andSun1642genomicDNAVanderKnaapetal,2004sun突变源于染色体片段的重复RiderisacopiatyperetrotranspsonXiaoetal2008Dosage-dependentexpressionofIQD12andDEFL1inNILsLA1589NILsSun1642NILsComplementationofsunSUNencodesaIQD-likeproteinOverexpressingSUNproduceslongparthenocarpicfruitsWildspeciesbackgroundCultivarbackgroundSUN作用于果实生长的早期Xiaoetal2009ovate突变导致梨形番茄果实WTovateoxOVATErepressesbasalgrowthofovaryLiuetal2002Hackbushetal2005OVATEFAMILYProtein（OFP）是转录抑制子控制番茄果实大小和形状的主效QTL位点fw2.2,fw3.2,

etc.FAS,lcn,etc.ovatesunsunotherfs8.1大小形状心室数目增加细胞数目、大小的增加ovateSquaretomatoLongJohnSnackTime果实成熟果实成熟类型例子呼吸跃变型(climacteric)苹果、香蕉、蓝莓、芒果、木瓜、梨、西瓜、番茄非呼吸跃变型(non-climacteric)樱桃、黄瓜、葡萄、柠檬、草莓、柑橘、菠萝、辣椒番茄果实成熟的调控因子乙烯发育调控生长素ABA表观遗传（甲基化）呼吸跃变型果实的特点MaclachlanandBrady(1994)PlantPhysiol.105,965-974;RothanandNicolas(1989)HortScience24,340-342;Taglientietal.(2009)FoodChem.114,1583-1589“Twosystems”调控果实成熟过程中的乙烯合成JPlantGrowthRegul(2007)26:143–159最早由McMurchie等于1972提出(Nature,237;235-236)两个乙烯信号途径番茄成熟突变体BarryCS,andGiovannoniJJPNAS2006;103:7923-7928WilkinsonetalScience1995;270:1807-1809GREEN-RIPEencodesaRTE1likeproteinNEVER-RIPEencodesethylenereceptorETR1抑制番茄APETALA2a表达影响果实成熟AP2a抑制ACS的表达，受乙烯调控ThePlantCell2011;23:923-941

番茄HD-Zip蛋白HB-1通过促进ACO1表达调控果实成熟PlantJ.Jul2008;55(2):301–310.RIN，第一个被发现参与非乙烯途径果实成熟调控的基因Science2002;296:343-346

RIN是一个MasterregulatorPlantPhysiology2011;157:1568-1579

ThePlantCell2013;.25:371-386

果实的遗传调控网络（乙烯相关）GiovannoniJJPlantCell2004;16:S170-S180番茄FRUITFULL同源基因FUL1和FUL2调控不依赖乙烯的果实成熟ThePlantCell2012；24：4437-4451

番茄SHATTERPROOF

基因TAGL1控制生长和成熟ThePlantCell200921：3041-3062

OERNAi果实成熟调控（发育调控）Cnr,第一个影响果实的表观遗传突变体NatureGenetics

38,948-952(2006)SBP-box(SQUAMOSApromoterbindingprotein–like)geneDNAmethyltransferase(DNMT)inhibitorsandtheirinhibitorymechanismsLykoF,andBrownRJNCIJNatlCancerInst2005;97:1498-1506果实成熟的表观组（epigenome）Zhong,S.etal.Nat.Biotechnol.31,154–159(2013).番茄成熟过程中基因组的甲基化分布果实成熟过程中的甲基化特征Cnr位点的差异性甲基化（DMR）番茄果实成熟的表观组模式GARPfamilyMybtranscriptionfactorGolden2-like

控制果实成熟的一致性ALTPowelletal.Science2012;336:1711-1715ThePlantCell2014vol.26;585-601ABA也参与番茄果实成熟的调控已有研究表明ABA促进番茄、草莓等果实的成熟，但其分子机理一直不清楚。Arcetal2013Zhangetal2009Seedgermination0204060801000122436486072102103104105NontransASlZFP2促进种子萌发Freshlyharvestedseeds0204060801000122436486072BSeedgerminationHoursafterimbibionDryseeds(5D)sit,p35S:HA-SlZFP2sit02040608010001.02.55.0SeedgerminationABAconcentration(mM)WengetalPlantPhysiol.InrevisionCD0100200300400AnFLMGNontrans102103104ABAcontent(ngg-1FW)ASlZFP2调控ABA的生物合成00.030.060.090.120.15NOTSIT(x10)SlAO1

(x100)FLCNontrans102103104105CRelexplevel01.53.04.56.000.20.40.60.81.000.51.01.52.02.5SlZFP2(x1000)SIT(x100)FLC(x100)NontranNAilinesRelativeexpressionlevelBWengetalPlantPhysiol.Inrevision番茄基因组中含有众多SlZFP2结合位点SlZFP2bindingsequence:(A/T)(G/C)TT.2343

geneshaveatleastonebindingsitesintheir1.5kbpromoterregions.ABAbiosyntheticgenesNOT,SIT,FLCandSlAO1containmultiple(A/T)(G/C)TTrepeats.WengetalPlantPhysiol.InrevisionGSTGST-SlZFP2NoproteinGSTGST-SlZFP2NoproteinpromoterexonSlZFP2直接结合在ABA合成酶基因启动子上01.02.03.04.05.0Nontrans102103104105Enrichment(%input)NOTSITFLCSlAO10.000.020.040.060.08FLCFLC+ZFP20.000.020.040.060.080.10SlAO1SlAO1+ZFP20.000.030.060.090.120.15NOTNOT+ZFP2GUS/LUCChIP-PCREMSAInvivoassayInsituWengetalPlantPhysiol.InrevisionSlZFP2是