在水果的世界里，苹果凭借其丰富的口感和多样的营养价值深受人们喜爱。而果实的外观品质，如颜色和蜡质，对于苹果的市场价值至关重要。大多数消费者更倾向于色泽鲜艳、表皮光滑且带有蜡质的苹果。在众多苹果品种中，“富美” 苹果以其高花青素含量和厚蜡层脱颖而出。然而，目前关于花青素积累和角质蜡生物合成之间的相互作用在很大程度上尚未被探索。为了深入了解这一奥秘，青岛农业大学等机构的研究人员展开了一项深入研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。
研究人员主要运用了 RNA 测序（RNA-seq）技术，对不同发育阶段的 “富美” 苹果果实进行分析，同时结合扫描电子显微镜（SEM）观察蜡质结构，以及采用气相色谱 - 质谱联用仪（GC-MS）测定蜡质成分。实验材料为来自青岛农业大学当地果园的 “富美” 苹果，在果实发育的不同阶段进行采样。
研究结果
- 花青素和蜡质的变化规律：研究人员对 “富美” 苹果果实发育过程中的花青素和角质蜡进行监测。结果显示，果实去袋后，花青素含量逐渐增加，在 18 天达到峰值后开始下降，果实颜色也随之逐渐变红；而角质蜡在果实发育初期就存在，从 18 天开始含量增加，24 天达到峰值。通过扫描电子显微镜观察发现，去袋后果实表面有角质蜡沉积，6 天时能观察到晶体和小板，随后小板逐渐变大，18 天后形成蜡膜并堆叠覆盖果实表面。GC-MS 分析表明，烷烃是 “富美” 苹果果实蜡质的主要成分，不同碳链长度的烷烃、蜡酯和醇类在果实发育过程中的含量变化各异。
- 差异表达基因（DEGs）分析：为了探究花青素和角质蜡途径的差异表达基因，研究人员对不同发育阶段（0、12、24 天标记为 M1、M2、M3）的果实样本进行 RNA 测序。结果在 M1/M2 和 M2/M3 组中分别鉴定出 6039 个和 3410 个差异表达基因。GO 分析将这些基因分为生物过程、细胞成分和分子功能三大类，KEGG 通路富集分析表明，M1/M2 组的差异表达基因主要富集在 “光合作用” 和 “类黄酮生物合成” 途径，M2/M3 组则主要富集在 “光合作用” 和 “角质、木栓质和蜡生物合成” 途径。进一步研究发现，在花青素生物合成途径中，多个结构基因（如 CHS、CHI、DFR、ANS、UFGT）和转运蛋白编码基因（如 GST、MATE、ABC）存在差异表达；在角质蜡生物合成途径中，参与合成和转运的相关基因（如 LACS、KCS、HCD、ECR、CER4、WSD1、CER1、CER3、CYPB5、LTPG、ABCG）也呈现差异表达。
- 转录因子（TFs）的作用：研究人员还对参与花青素和角质蜡积累的转录因子进行了研究。在花青素生物合成途径中，发现多个 MYB 基因、bHLH3 基因等存在差异表达，其中 MYB1 作为关键调节因子，在 12 天表达上调，24 天表达下调。在角质蜡生物合成途径中，多个 MYB 基因和 AP2 TF 存在差异表达，如 MYB94、MYB96 等基因在 12 天表达上调，0 天和 24 天表达下调，且 MYB306 - like 基因和 MYB94 基因可能同时调节苹果中花青素和角质蜡的生物合成。
- 长链非编码 RNA（lncRNAs）的鉴定与分析：研究共鉴定出 4080 个 lncRNAs，在 M1/M2 和 M2/M3 组中分别有 230 个和 131 个差异表达 lncRNAs（DELs）。GO 和 KEGG 分析显示，这些差异表达 lncRNAs 的靶基因主要参与氨基酸合成、抗病过程等。其中，MdMYB1 作为红苹果花青素生物合成的关键调节基因，被 lncRNA MSTRG.27523.1 靶向，表明该 lncRNA 可能通过影响 MdMYB1 来调节花青素生物合成。
- 基因表达验证：为了验证 RNA 测序的结果，研究人员选取了 15 个 mRNA 和 5 个 lncRNAs 进行 qRT-PCR 验证。结果显示，尽管基因表达水平在定量上存在一些差异，但 RNA 测序和 qRT-PCR 数据中基因表达水平的趋势相似，证实了 RNA 测序数据的可靠性。
研究结论与讨论
该研究通过转录组分析，鉴定出参与苹果色泽和蜡质形成的关键 lncRNAs 和基因。研究发现多个蛋白质编码基因对花青素和蜡质的生物合成有贡献，并且 MdMYB1 可能受 MSTRG.27523.1 调节。此外，还确定了一些潜在的 lncRNA - mRNA 调控相互作用，为深入了解苹果果实发育过程中花青素和角质蜡生物合成的分子机制提供了新的视角。这不仅有助于进一步理解植物果实发育的奥秘，也为苹果品质改良的育种工作提供了重要的理论依据，有望通过调控相关基因和 lncRNAs 来培育出更优质的苹果品种，提高苹果在市场上的竞争力。
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