《Journal of Plant Physiology》：Inhibition of ROS-Induced
MiIDA1 and
MiIDA2 gene Expression by Sodium Hydrosulfide Mitigates Mango Fruitlet Abscission
编辑推荐：
芒果（Mangifera indica L.）幼果脱落与离区（AZ）中乙烯感知增强、吲哚-3-乙酸（IAA）转运减少以及两个INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION（MiIDA）基因表达上调相关。此外，尽管活性氧（ROS）被认
芒果（Mangifera indica L.）幼果脱落与离区（AZ）中乙烯感知增强、吲哚-3-乙酸（IAA）转运减少以及两个INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION（MiIDA）基因表达上调相关。此外，尽管活性氧（ROS）被认为是脱落的重要调控因子，但其在芒果幼果脱落中的具体作用尚不清楚。硫化氢（H?S）近年来被发现是一种信号分子和抗氧化剂，可抑制ROS，增强胁迫耐受性，同时延缓衰老并抑制番茄花器官脱落。本研究探讨了ROS在芒果幼果脱落中的作用，并评估了H?S供体硫氢化钠（NaHS）缓解幼果脱落的潜力。研究人员利用携带幼果的芒果外植体，监测了离区中ROS动态及其与MiIDA基因表达的关系。乙烯利诱导的脱落与快速ROS爆发、ROS产生基因上调以及随后MiIDA1和MiIDA2的诱导相关。同样，外源过氧化氢增强了MiIDA转录本表达并加速脱落。相比之下，NaHS预处理显著降低了乙烯利诱导的脱落和离区中ROS积累，同时抑制了ROS相关基因并降低了MiIDA转录本表达。值得注意的是，NaHS还减弱了乙烯信号相关基因的诱导，但并未阻止生长素相关基因的下调。综上，研究结果表明，NaHS主要通过调节乙烯信号、限制ROS积累和抑制MiIDA基因诱导来缓解芒果幼果脱落。本研究为ROS在脱落调控中的作用提供了新见解，并提出了减少芒果园幼果脱落的潜在策略。
芒果幼果脱落调控机制研究：ROS、MiIDA基因与NaHS的交互作用
一、研究背景与科学问题
植物器官脱落（abscission）是一个高度保守的发育过程，使植物能够在器官过剩、遭受胁迫或不再需要时脱落叶片、花朵和果实。脱落过程涉及离区（abscission zone, AZ）中特化细胞之间中层（middle lamella）的降解，其进程通常分为四个阶段：离区细胞分化、获得感知脱落信号的能力、信号诱导的细胞分离以及脱落位点保护层的形成。在果树生产中，幼果或果实脱落的调控对产量和品质最大化至关重要——过度脱落会降低生产力，而负载过重则会降低果实大小和整体品质。
在内部调控因素中，乙烯（ethylene）与生长素（auxin）稳态的相互作用被认为是影响脱落的核心机制。乙烯是诱导脱落的主要激素，而通过离区的极性生长素（IAA）转运（PAT）则通过降低离区细胞对乙烯信号的敏感性来延迟或阻止脱落。除植物激素外，小信号肽也参与脱落调控的关键环节。在拟南芥（Arabidopsis）中，分泌肽INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION（IDA）及其富含亮氨酸重复序列（LRR）的受体激酶HAE/HSL2介导花器官分离，该信号模块在被子植物中高度保守。尽管该模块最初被认为独立于乙烯信号发挥作用，但近期证据表明其位于乙烯信号下游，在脱落后期阶段发挥作用。
活性氧（ROS）也被认为是器官脱落的关键调控因子，包括单线态氧（1O?）、超氧阴离子（O?•?）、过氧化氢（H?O?）和羟基自由基（OH?）等，其作用取决于浓度，既可充当信号分子，也可作为损伤因子。ROS稳态通过产生、清除和转运之间的精细平衡来维持，其中植物NADPH氧化酶（RBOHs）和III类过氧化物酶（POXs）在ROS产生中发挥主要作用，而超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等负责ROS解毒。已有研究表明，ROS积累与IDA–HAE/HSL2信号模块之间存在功能联系。
硫化氢（H?S）近年来被确认为重要的气体信号分子和抗氧化剂，参与植物生长发育和胁迫响应调控。H?S可增强植物对干旱、低温和盐碱等非生物胁迫的耐受性，并通过抑制ROS积累延缓衰老。此前研究已表明H?S能抑制番茄、玫瑰和百合中乙烯诱导的花器官脱落，而内源H?S耗竭则加速脱落过程。
芒果（Mangifera indica）是漆树科（Anacardiaceae）果树，广泛种植于热带和亚热带地区。尽管开花和坐果丰富，芒果生产常因大量幼果和果实脱落而受限。早季幼果脱落通常与授粉失败及单性结实幼果脱落相关，而季中脱落主要影响正常发育的含籽幼果，由非生物胁迫（特别是春季热浪）和生物因素触发。已有研究将乙烯产生增加与芒果幼果脱落联系起来，并证明乙烯利（ethephon）处理加速脱落。增强的乙烯感知、有限的蔗糖供应和减少的生长素转运共同促成幼果脱落。研究人员此前鉴定了两个芒果AtIDA直系同源基因，为IDA介导的幼果脱落调控的保守性提供了证据，但其激活和作用的分子机制仍不清楚。
基于上述背景，本研究旨在探讨ROS在调控芒果幼果脱落中的作用及其参与激活离区中MiIDA1和MiIDA2表达的潜在机制，并评估H?S供体硫氢化钠（NaHS）缓解幼果脱落的潜力。
二、主要技术方法
研究以以色列东北部Ramat Magshimim商业果园（32°50′ N, 35°48′ E）中嫁接于‘13-1’砧木的‘Kent’芒果成年树为材料，于2021年5月和2023年5月采集每穗含一至两个幼果的外植体进行实验。主要技术方法包括：乙烯利、过氧化氢和NaHS处理实验；离区组织中H?O?和O?•?的定量测定；MiIDA1和MiIDA2启动子顺式元件预测分析（利用PlantCARE数据库）；CTAB法提取总RNA及cDNA合成；基于内部‘Kent’离区转录组资源选择代表性基因并设计特异性引物；定量实时PCR（qRT-PCR）进行基因表达分析；以及2024年在同一商业果园开展的NaHS田间应用试验。
三、研究结果
3.1 乙烯利诱导的脱落与幼果离区ROS积累增强同步发生
利用2021年5月初采集的幼果外植体，研究人员发现乙烯利处理显著增加幼果脱落率，48小时后开始显著上升，168小时达到约83%，而对照同期约为20%。离区ROS测定显示，O?•?积累在处理后8小时即显著高于对照，H?O?水平则在处理后24小时显著升高。
3.2 乙烯利处理对ROS产生基因及MiIDA1和MiIDA2表达模式的影响**
qRT-PCR分析表明，NADPH氧化酶基因MiRbohB在处理后8小时即出现显著早期诱导，MiRbohD则呈渐进式上升；MiPOX15在处理后8小时显著高于对照，而MiPOX4变化不明显。与前期研究一致，MiIDA1和MiIDA2均被乙烯利显著诱导，处理后24小时起表达升高，48小时进一步增加。
3.3 MiIDA1和MiIDA2基因顺式元件分析**
对两个基因上游约3 kb启动子区域的分析共鉴定出32个顺式作用元件，包括12个光响应元件、6个激素响应元件、12个胁迫相关元件和1个与植物结构发育相关的元件。两个启动子均含有as-1（TGACG基序）和STRE（AGGGG共有序列）等公认的氧化胁迫响应调控元件。MiIDA1启动子含2个as-1基序和2个STRE元件，MiIDA2启动子含2个as-1基序和13个STRE元件。此外，MiIDA1启动子含3个生长素响应TGA元件、2个ABA响应元件（ABREs）、1个水杨酸响应TCA元件和1个参与茉莉酸甲酯（MeJA）响应的CGTCA基序；MiIDA2启动子则含5个乙烯响应元件（ERE）、2个CGTCA基序和1个赤霉素响应元件（GARE基序）。
3.4 外源H?O?处理促进芒果幼果脱落并诱导MiIDA1和MiIDA2基因表达**
外源H?O?处理显著加速幼果脱落，处理后96小时内脱落率显著高于对照。基因表达分析显示，MiIDA1在处理后48小时显著上调，MiIDA2在处理后24小时即表现出更强的响应。
3.5 NaHS抑制乙烯利诱导的幼果脱落和离区ROS积累
2023年的实验中，乙烯利处理在48小时后开始诱导脱落，168小时达到近90%；对照外植体逐渐脱落，实验结束时约40%。NaHS预处理显著降低了乙烯利诱导的脱落，120小时时脱落率约为40%，与对照自然脱落水平接近。ROS测定显示，乙烯利在24小时显著增加O?•?形成，NaHS预处理显著抑制了这一升高；乙烯利在24和48小时均显著提高H?O?水平，NaHS预处理则持续降低H?O?含量。
3.6 NaHS抑制乙烯利诱导的ROS相关基因和MiIDA基因上调**
与上一季结果一致，MiRbohD和MiPOX15在乙烯利处理的离区组织中显著升高，NaHS预处理抑制了这一诱导。MiIDA2在本季被乙烯利显著上调，NaHS预处理在24和48小时均显著降低其表达；MiIDA1在48小时被NaHS显著抑制。此外，细胞壁修饰基因MiPG（多聚半乳糖醛酸酶）、MiPE（果胶酯酶）和MiEXP（扩张蛋白）均被乙烯利显著诱导，NaHS预处理在24–48小时内显著降低了它们的诱导水平。
3.7 NaHS抑制乙烯利诱导的乙烯信号基因表达，但不逆转生长素相关基因下调
乙烯利处理在24–48小时内显著上调乙烯信号转录本MiERS1、MiCTR1和MiEIN3，NaHS预处理显著抑制了这一诱导。然而，生长素相关基因MiPIN1（生长素外排载体）、MiLAX2（生长素内流载体）和MiAUX/IAA3在乙烯利处理后24小时内下调，NaHS预处理并未逆转这一下调。
3.8 NaHS田间应用对幼果脱落和产量参数的影响
2024年在同一商业‘Kent’芒果园进行的田间试验中，分别于5月15日、5月28日和6月4日进行三次叶面喷施NaHS（50、150和300 μM）。所有处理的幼果脱落率随时间增加，首次施用后33天达到约70–80%。300 μM NaHS处理在首次施用后75天时脱落率显著低于未处理对照（78%对85%），且与每棵树约10 kg的数值性产量增加相关，但未显著增加总产量，平均果实大小在各处理间保持可比。
四、讨论与结论
讨论部分指出，本研究证实ROS是芒果幼果脱落中MiIDA基因表达的上游早期调控因子。乙烯利诱导的脱落伴随离区中快速的ROS爆发，O?•?在8小时内增加，H?O?在24–48小时内积累。ROS产生基因（MiRbohB、MiRbohD、MiPOX4、MiPOX15）在乙烯利处理后8–24小时内被诱导，先于脱落率的显著上升，表明酶促ROS产生可能触发启动细胞分离的信号模块。外源H?O?加速脱落并上调MiIDA转录本，启动子分析发现氧化胁迫响应顺式元件，支持ROS正向调控MiIDA表达。与拟南芥中AtIDA-LIKE肽IDL6和IDL7被H?O?快速诱导、msd2突变体表现加速脱落并伴随ROS积累和AtIDA/AtHAE表达增加，以及荔枝中LcDOF5.6抑制LcRbohD等研究一致，ROS-to-IDA调控机制在多种植物中保守存在。
NaHS作为H?S供体，显著抑制了乙烯利诱导的芒果幼果脱落，这一抑制伴随ROS积累减少和ROS产生基因表达下降，与H?S在多种植物系统中减少ROS积累和氧化损伤的研究一致。NaHS还显著降低了乙烯信号基因、MiIDA基因和细胞壁修饰基因的诱导，表明其通过减弱乙烯信号转导和ROS积累来抑制脱落。值得注意的是，NaHS并未逆转乙烯利诱导的生长素相关基因下调，这与番茄中H?S通过重建基顶生长素梯度抑制花器官脱落的研究不同，可能反映物种特异性调控机制或脱落时间进程的差异。
研究结论为：ROS是芒果幼果脱落中MiIDA基因表达的早期上游调控因子，NaHS通过调节乙烯和ROS信号抑制脱落。ROS积累与MiIDA诱导之间的时间分离表明离区信号具有层级性质，将ROS调控定位为芒果幼果脱落的一个控制点。田间试验显示，300 μM NaHS处理显著降低幼果脱落率，并与每棵树约10 kg的数值性产量增加相关，且不影响果实大小。尽管产量增加未达到统计学显著水平，这些发现值得在更大规模的田间试验中进一步评估，以确定NaHS作为减少幼果脱落、提高芒果产量实用策略的潜力。
