赤霉素 4+7 部分通过抑制 PRX 介导的木质素沉积来缓解梨果半锈斑

《Plant Science》：GA 4+7 alleviates pear fruit semi-russeting partly by suppressing PRX-mediated lignin deposition

　　

摘要

梨果半锈斑是果实发育期间常发生的表面障碍，显著降低果实外观质量和商业价值。尽管赤霉素 4+7 (GA₄₊₇) 已被用于减少园艺作物的果实表面缺陷，但其抑制梨果半锈斑的生理和分子机制仍知之甚少。本研究表明，采前 GA₄₊₇ 处理显著减少了“翠冠”梨成熟果皮上的锈斑覆盖面积和木质素积累，且对果实大小、果形指数或总可溶性固体含量没有不良影响。代谢组学和转录组学综合分析显示，GA₄₊₇ 处理与苯丙烷类和木质素生物合成在代谢和转录水平的抑制有关。在木质素相关差异表达基因中，两个 III 类过氧化物酶基因 PpyPRX22 和 PpyPRX65 被 GA₄₊₇ 和套袋处理强烈下调。两种蛋白质均定位于细胞壁，梨果皮中的瞬时表达实验支持 PpyPRX22 和 PpyPRX65 在木质素沉积中的积极作用。此外，结合瞬时过表达实验的双荧光素酶报告基因测定表明，几种 PpyMYB 转录因子可能调节 PpyPRX 表达和木质素积累，其中 PpyMYB138 和 PpyMYB139 显著激活了 PpyPRX22 和/或 PpyPRX65 的启动子活性。综上所述，这些结果表明 GA₄₊₇ 至少部分通过减少果皮木质素沉积来缓解梨果半锈斑，而 PpyPRX22 和 PpyPRX65 可能有助于这一过程。

引言

果实外观是重要的美学质量属性，也是决定消费者偏好、市场分级和商业价值的关键因素。梨（Pyrus spp.）是全球经济价值最高的水果作物之一。梨品种通常根据果皮颜色分为绿皮、红皮和锈褐皮三组（Liu et al., 2019）。在绿皮和黄绿皮梨品种中，果皮半锈斑——特征是果实表面不均匀地形成粗糙的褐色斑块——被认为是一种常见的表面障碍和影响商业质量的重要缺陷。这种障碍降低了鲜果的市场性，并在商业生产中造成经济损失，因此引起了广泛的研究关注（Zhang et al., 2021, Wang et al., 2025a）。

果实锈斑和半锈斑通常与果实角质层的破坏以及随后形成的木栓组织样结构有关，伴随着木质素和木栓质等酚类和脂质聚合物的沉积（Wu et al., 2023; Zhang et al., 2023; Wang et al., 2025a）。在梨中，越来越多的证据表明木质素代谢与锈皮或半锈皮的形成密切相关（Jianga et al., 2022; Wang et al., 2022; Wang et al., 2025a）。木质素是一种复杂的酚类聚合物，有助于次生细胞壁增厚、疏水性和刚性，从而增强植物对生物和非生物胁迫的防御（Bonawitz and Chapple, 2010）。木质素生物合成通过苯丙烷途径进行，并依赖于一系列结构酶，包括苯丙氨酸解氨酶 (PAL)、肉桂酸 4-羟基化酶 (C4H)、4-香豆酸:CoA 连接酶 (4CL)、咖啡酸 O-甲基转移酶 (COMT)、咖啡酰-CoA O-甲基转移酶 (CCoAOMT)、肉桂醇脱氢酶 (CAD) 以及氧化聚合酶如漆酶 (LACs) 和 III 类过氧化物酶 (PODs/PRXs)（Zhao, 2016, Vanholme et al., 2019）。木质素生物合成基因的表达受到分层转录调控网络的严格控制。在模式植物中，NAC 和 MYB 转录因子作为次生细胞壁形成的核心调节因子：NACs 通常作为上游主开关，而 R2R3-MYB 转录因子作为下游直接或不直接调节木质素途径基因（Ohtani and Demura, 2019, Pratyusha and Sarada, 2022）。在梨中，转录组学和蛋白质组学研究确定了几个木质素相关结构基因，包括 CCR、CAD 和 POD/PRX 基因，作为锈皮形成的候选调节因子（Wang et al., 2014, Wang et al., 2020）。几项研究也开始阐明梨果锈斑期间木质素生物合成的转录调控。例如，PpMYB36 被证明通过增强木质素积累来促进锈色，而最近报道 PbWRKY24 在锈皮形成期间激活了 PbPRX4 介导的木质素沉积（Ma et al., 2021, Wang et al., 2025b）。然而，特异性参与梨果半锈斑的木质素生物合成基因及其表达调控网络仍表征不足。

锈斑的发生受外部条件强烈影响，据报道长期湿润、高湿度、温度胁迫和农用化学品施用等因素会促进其零星形成（Khanal et al., 2013）。水分相关胁迫，特别是果实表面持续湿润，已被确定为半锈表型的主要贡献者（Straube et al., 2021, Wang et al., 2025a）。在梨商业生产中，采前套袋是抑制锈斑和改善市场外观的常用策略（Knoche and Lang, 2017, Shi et al., 2019, Zhang et al., 2021）。然而，这种做法劳动密集，且对果实质量的影响并非总是有益；不当的袋型或长期套袋可能会改变梨果颜色、可溶性固体含量、酸度、酚类成分和采后表现（Hudina and Stampar, 2011, Ali et al., 2021, Buthelezi et al., 2021）。赤霉素 (GAs) 是重要的植物激素，在整个植物生命周期中具有多种生物学功能（Yamaguchi, 2008）。据报道，GAs 影响果实表面特征，并有效减少园艺作物的表面缺陷，如果实开裂和锈斑（Eccher and Hajnadari, 2006, Xu et al., 2019, La Spada et al., 2024, Sharma et al., 2025）。例如，苹果果实中高水平的内源 GA 与较厚的角质层和较低的锈斑发生率有关（Eccher and Hajnadari, 2006）。此外，对“金帅”苹果施用 GA₄₊₇ 或对葡萄施用 GA₃ 可降低果实表面张力，从而减少角质层微开裂和锈斑（Curry, 2012, Xu et al., 2019）。然而，GA₄₊₇ 缓解梨果半锈斑的分子机制仍基本不清楚。

“翠冠”梨是一种广泛种植的品种，以其优异的果实质量和强适应性而闻名，在中国长江流域广泛种植。然而，其果实易在发育期间出现半锈斑，特别是在暴露于雨水等不良环境条件下。因此，阐明梨果半锈斑的生物学基础并制定有效的策略来减轻这种障碍，对于提高果实外观和商业价值至关重要。在本研究中，我们调查了 GA₄₊₇ 处理对“翠冠”梨果实半锈斑、木质素积累和质量性状的影响。进一步进行代谢组学和转录组学分析，以检查与 GA₄₊₇ 介导的半锈斑缓解相关的代谢和转录变化。具体而言，随后分析了候选木质素相关基因，以提供分子证据支持观察到的果皮木质化减少。这些发现增强了我们对梨果半锈斑生理和分子基础的理解，并为提高梨生产中的果实外观质量提供了有价值的见解。

章节片段

植物材料与处理

实验使用在中国江苏省扬州市商业果园种植的“翠冠”梨（Pyrus pyrifolia Nakai）幼果。选择五株生长活力相似且光照条件相当的 4 年生树进行采样。选择大约 150 个均匀的幼果，随机分为三组：模拟处理对照、GA₄₊₇ 处理和果实套袋处理。为了制备 GA₄₊₇ 处理溶液，将 GA₄₊₇ 溶解在

GA₄₊₇ 处理对“翠冠”梨果皮锈斑和木质素积累的影响

在开花后 80 天和 115 天 (DAFB) 采集对照、套袋处理和 GA₄₊₇ 处理组的梨果样本。如图 1A 所示，果实锈斑程度在果实发育过程中逐渐增加。在 80 DAFB 时，果实表面仅观察到轻微的锈斑症状，而在成熟时，粗糙的褐色斑块覆盖了对照果皮的大部分，显著降低了果实外部质量。与对照相比，套袋和 GA₄₊₇ 处理

讨论

果实半锈斑是不受欢迎的品质性状，显著降低了包括苹果、梨、葡萄和李子在内的许多水果作物的外观和鲜销价值（Khanal et al., 2013, Knoche and Lang, 2017）。它通常与角质层破坏以及随后形成的木栓组织样保护结构有关，伴随着木质素、木栓质和其他细胞壁相关聚合物的沉积（Khanal et al., 2013, Jiang et al., 2022a, Wang et al.,

结论

在本研究中，GA₄₊₇ 处理缓解了梨果半锈斑并减少了果皮木质素积累，而未明显影响所测量的果实质量性状。PpyPRX22 和 PpyPRX65 被鉴定为木质素沉积的候选正调节因子，几种 PpyMYBs，特别是 PpyMYB34、PpyMYB138、PpyMYB138-like 和 PpyMYB139，与木质素积累增加和 PpyPRX 表达有关。PpyMYB138 和 PpyMYB139 还增强了 PpyPRX22 和/或

CRediT 作者贡献声明

刘肖： 写作 – 审查 & 编辑。王春雷： 写作 – 审查 & 编辑，监督，资金获取。张静： 写作 – 原稿，可视化，监督，资金获取，构思。任海英： 写作 – 原稿，可视化，调查，形式分析，数据整理。戴荣： 可视化，调查，形式分析，数据整理。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报道的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32202445）、江苏省重点研发计划（现代农业）（BE2022381）、江苏省自然科学基金（BK20190896）的支持。

张静 | 任海英 | 戴荣 | 刘肖 | 王春雷

扬州大学，园艺与景观学院，农业与农产品安全国际研究实验室，教育部植物功能基因组学重点实验室，中国江苏省扬州市文汇东路 48 号，邮编 225009