在山東農(nóng)業(yè)大學教授郝玉金的電腦里，有一張?zhí)O果果實品質(zhì)分子調(diào)控的“網(wǎng)絡(luò)圖”。這張圖，被他視若珍寶。
“小小圖片里凝聚著我們團隊十余年來的科研心血，也藏著我們團隊對蘋果果實色澤和風味品質(zhì)調(diào)控分子機制的一個又一個揭秘。”看著這張圖片，郝玉金向《科學新聞》娓娓道來他對蘋果果實品質(zhì)研究的情有獨鐘。
色澤是影響果實賣相的一個關(guān)鍵指標，在決定蘋果等果實色澤的植物色素中，花青苷尤為重要。郝玉金團隊便從蘋果色澤入手，潛心研究有關(guān)調(diào)控信號。如今，他們已鑒定了多個調(diào)控花青苷合成的基因，其中最重要的就是MdbHLH3和MdMYB1，這兩個基因編碼的蛋白為MYB-bHLH-WD40（MBW）蛋白復合體的重要組成部分。
團隊還驚喜地發(fā)現(xiàn)，MBW蛋白復合體是蘋果響應(yīng)外界光照和溫度變化的核心“機構(gòu)”，同時“指揮”蘋果果實中花青苷、乙烯、糖分、有機酸等物質(zhì)的積累，影響果實的成熟、色澤和風味品質(zhì)。
這些成果也得到了同行專家的認可，并以論文形式發(fā)表于《新植物學者》《植物生理》等高水平學術(shù)期刊。
探尋生產(chǎn)中的科學
光照和溫度等環(huán)境因素影響果實色澤和風味等品質(zhì)性狀，這是多年前就被果樹科研人員甚至果農(nóng)所熟知的，而且優(yōu)化光溫環(huán)境也成為行業(yè)人員在生產(chǎn)中完善栽培措施的重要目標。然而，光照和溫度調(diào)控果實品質(zhì)的分子機制是什么？在郝玉金瞄向蘋果果實品質(zhì)的光溫調(diào)控機理研究之前，沒人能回答這個問題。
“蘋果是大宗水果。2006年我從美國做完博士后研究回來時，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)蘋果產(chǎn)量居世界第一，超過全球總產(chǎn)量的一半。雖然從數(shù)量上來看供需基本平衡并略有盈余，但優(yōu)質(zhì)果供不應(yīng)求，很多高端蘋果是從國外進口的。”對此，郝玉金感到很憂心。之后，在中國工程院院士、山東農(nóng)大教授束懷瑞的建議和指導下，郝玉金對我國的蘋果產(chǎn)業(yè)做了調(diào)研，進一步確認了提高果實品質(zhì)是生產(chǎn)實踐中亟需解決的問題。
郝玉金打算通過理論研究找到調(diào)控果實品質(zhì)的信號轉(zhuǎn)導途徑和分子機制，再反過來采取相應(yīng)的措施“根治”蘋果生產(chǎn)中的難題。“表觀現(xiàn)象里其實藏著很多有意思的科學問題，比如果樹怎么感應(yīng)溫度和光照等環(huán)境信號？怎么接收？怎么傳導下去最終調(diào)控果實的色澤和風味品質(zhì)？我想找到它的根源。”
消費者對蘋果等果實品質(zhì)的要求不外乎就是好看、好吃、安全。其中，好看是外觀品質(zhì)，好吃和安全是內(nèi)在品質(zhì)。郝玉金想從“好看”著手：“老遠一看，果實的顏色鮮艷，會更吸引消費者的眼球；另外，顏色鮮艷也說明蘋果發(fā)育和成熟度良好，并含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。”
蘋果果實色澤取決于果皮中葉綠素和花青苷等植物色素的種類和含量，同時受果皮細胞液泡酸堿度（pH值）的影響。這些因素協(xié)同作用，使果實呈現(xiàn)出不同的顏色和色調(diào)，其中花青苷起主要作用。十余年來，郝玉金與團隊成員從光照和溫度等因素對花青苷合成與積累的影響研究入手，不斷深入揭示環(huán)境因子和栽培措施調(diào)控果實品質(zhì)形成的“密碼和網(wǎng)絡(luò)”。
最終，他們欣喜地發(fā)現(xiàn)，MBW蛋白復合體中的MdbHLH3和MdMYB1蛋白在響應(yīng)環(huán)境因子信號、調(diào)控色澤品質(zhì)形成中起了重要作用。它們不僅受光照和溫度影響，還響應(yīng)激素和營養(yǎng)信號，是果實色澤等品質(zhì)形成的重要調(diào)控蛋白。
發(fā)現(xiàn)品質(zhì)調(diào)控基因
在對蘋果色澤形成的研究中，郝玉金團隊還發(fā)現(xiàn)了一個很有意思的現(xiàn)象，那就是花青苷過量積累時，蘋果果實的酸度也會提高。“蘋果果實中含有大量的有機酸，調(diào)控果實酸度。有機酸的種類和含量直接影響果實的風味和加工品質(zhì)，一直是果樹遺傳改良和栽培調(diào)控的重要目標性狀。”
蘋果酸是蘋果果實中最主要的有機酸，占總酸量的80％以上，直接決定果實的酸度；同時，有機酸和糖分之間也存在密切的關(guān)系，糖酸的種類、含量和比例，直接決定果實的風味品質(zhì)。
調(diào)控花青苷的基因是否影響蘋果果實糖分和有機酸的積累？郝玉金課題組有了一個大膽的推測，也就是蘋果著色和風味品質(zhì)形成可能有共同的調(diào)控基因。他們開始更加深入的研究，探索MdMYB1基因?qū)μO果酸和糖分運輸與積累的影響。
“多次的重復試驗證實了我們的推測是正確的。”郝玉金團隊成員興奮地發(fā)現(xiàn)，蘋果MdMYB1基因可直接調(diào)節(jié)花青苷、蘋果酸和糖分在果實細胞中的運輸和積累，并且對有機酸的影響更大。
MdMYB1轉(zhuǎn)錄因子是如何影響蘋果酸合成的？該團隊的研究表明，MdMYB1是個“多面手”，不僅控制花青苷的合成，還促進花青苷、蘋果酸和糖分向果肉細胞液泡中運輸。同時，它還調(diào)控液泡膜上的質(zhì)子泵，一方面為花青苷、蘋果酸和糖分等營養(yǎng)物質(zhì)向液泡中運輸提供能量，促進它們在液泡中積累；另一方面通過直接影響液泡pH值和花青苷顯色，控制果實的酸度和色澤。
這些成果也意味著在蘋果果實品質(zhì)調(diào)控的“網(wǎng)絡(luò)圖”上，郝玉金團隊又繪出了精彩的一筆。
揭示品質(zhì)和成熟關(guān)系
在生產(chǎn)中，很多人發(fā)現(xiàn)蘋果在成熟時果實才變甜、變紅，便因此認為蘋果果實成熟是“因”，果實品質(zhì)物質(zhì)如可溶性糖、有機酸、花青苷等的積累是“果”。但讓郝玉金和團隊成員感到疑惑的是，很多通過芽的自然遺傳變異選育的紅色蘋果品種果實成熟期提前了，并且紅肉蘋果在采摘前果子自然落下和早衰現(xiàn)象非常明顯，這些并不能很好地用大家普遍認為的“因果”關(guān)系來解釋。
真的如同人們認為的一樣，蘋果果實成熟是原因，蘋果果實色澤和風味物質(zhì)的積累變化是后果嗎？蘋果果實品質(zhì)和果實成熟信號之間有協(xié)同促進關(guān)系嗎？帶著這些疑問，郝玉金團隊把目光轉(zhuǎn)到MBW蛋白復合體能否同時調(diào)控蘋果果實花青苷積累和果實成熟的研究上來。
“考慮到植物激素乙烯對蘋果果實的成熟至關(guān)重要，我們在之前的研究中也發(fā)現(xiàn)乙烯影響蘋果果實花青苷的積累，而MBW蛋白復合體是調(diào)控蘋果果實花青苷合成的關(guān)鍵因素。”于是，團隊決定從乙烯與MBW蛋白復合體的調(diào)控關(guān)系著手進行研究。
事實證明郝玉金和團隊成員的思路是正確的。果實發(fā)育前期僅產(chǎn)生微量乙烯，隨著果實成熟，乙烯釋放逐漸增加，成熟果實的乙烯釋放達到峰值，而果樹成熟的同時也伴隨著果實品質(zhì)物質(zhì)的積累。“這是常識，但我們透過現(xiàn)象看到了更多本質(zhì)。”郝玉金及團隊對此倍感振奮。
他們弄清了蘋果果實品質(zhì)形成和果實成熟協(xié)同促進的分子機制，即蘋果果實MBW蛋白復合體中的MdMYB1和MdbHLH3均直接或間接調(diào)控乙烯合成有關(guān)基因，促進乙烯生物合成；同時，MdMYB1蛋白還介入了乙烯信號傳導過程。
如今，郝玉金團隊在蘋果色澤和風味領(lǐng)域的研究碩果累累。“我們在近20年不斷地試驗中，證實了MBW蛋白復合體不僅調(diào)控花青苷合成和品質(zhì)物質(zhì)的積累，而且促進果實成熟，進而全面影響果實品質(zhì)。這些理論成果與生產(chǎn)現(xiàn)象也是吻合的。”
郝玉金表示，他們還要繼續(xù)圍繞這個蛋白復合體“做文章”，如篩選誘導MBW蛋白復合體的小分子化合物并應(yīng)用于果樹生產(chǎn)，改善外觀色澤和果實風味，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果。同時，團隊還在云南和四川等高原產(chǎn)區(qū)建立蘋果示范基地，充分利用當?shù)剡m宜的溫度和光照條件，應(yīng)用自己的理論創(chuàng)新研究成果，結(jié)合多學科交叉融合，研發(fā)栽培技術(shù)，克服雨季和旱季對蘋果風味品質(zhì)的影響�！�