反义RNA技术控制果实成熟的研究进展

福建农业大学学报29(4):421-428,2000

Journal of Fujian A griculturalU n iversity

文章编号:1006278172(2000)0420421208

反义RNA技术控制果实成熟的研究进展

宋　刚,林顺权,吕柳新,马　英

(福建农林大学园艺系,福建福州350002)

摘要:简要回顾反义RNA技术的产生与发展;并在介绍果实成熟的生理学和分子生物学的基础上,着重综述利用反义RNA技术控制果实成熟,包括控制乙烯产生、细胞壁降解、色素生物合成等3个方面的国内外研究进展,并对今后的研究方向进行了初步探讨.

关键词:反义RNA技术;果实成熟;乙烯;12氨基环丙烷21羧酸;细胞壁降解

中图分类号:S667.2 文献标识码:A

Advances i n apply i n g an tisen se RNA technology to con troll i n g fruit ma tura ti on SON G Gang,L I N Shun2quan,LU L iu2x in,M A Y ing

(D epartm en t of Ho rticulture,Fujian A griculture and Fo restry U n iversity,Fuzhou,Fujian350002,Ch ina)

Abstract:T he e m ergence and devel opm en t of an tisen se RNA techno l ogy are briefly revie w ed.O n the base of brief in truducti on of physi o l ogy and mo lecular bi o l ogy in fruit m aturati on,advances in con tro lling fruit m atura2 ti on,including con tro lling cell w all decompo sability,ethylene and p igm en t bi o syn thesis w ith an tisen se RNA techno l ogy at hom e and abroad are dealt w ith in details,m eanw h ile,the p ro s pects are p reli m inarily discussed. Key words:an tisen se RNA techno l ogy;fruit m aturati on;ethylene;12am inocycl op ropane212carboxylate;cell w all decompo sability

20世纪80年代以来,植物基因工程发展日新月异,并相继取得一系列重大成果.1994年5月21日Calgene Inc公司的F lavr SavrTM的番茄成为获准在美国出售的第1种遗传工程完整食品,标志着利用反义技术方法控制果实的成熟已进入产业化阶段,同时也极大推动了反义技术的进一步完善.应用基因工程将外源基因导入细胞,特别是利用反义RNA技术有针对性地控制细胞内某种特异基因的表达及蛋白质合成,定向调控果实的成熟,展现出广阔的应用前景.本文结合作者在应用反义RNA技术把12氨基环丙烷21羧酸(A CC)氧化酶基因和A CC合成酶基因反义转化枇杷、木奈等方面的探索,综述反义RNA技术的产生与发展及其在果实成熟中应用的国内外研究进展.

1　反义RNA技术的产生与发展

反义技术(an tisen se2techno l ogy)是根据碱基互补原理,利用人工或生物合成特异互补的DNA或RNA片段(或其修饰产物)抑制或封闭基因表达的技术,包括反义寡核苷酸技术、反义RNA技术和核酶(ribozym e)技术等[1,2].RNA具有调节基因表达的功能[1],Si m on s et al[3]进一步证实反义RNA在大肠杆菌质粒复制中具有识别和调节的功能.由此反义RNA技术研究得到重视,但开始的研究多集中于原核生物.直到真核生物自然存在反义系统的发现,特别是Izan t et al[4,5]首次证实人工构建的反义寡核苷酸在真核生物中具生物学效应以来,反义技

收稿日期:2000-05-30

基金项目:国家教育部骨干教师资助项目.

作者简介:宋刚(1973-),男.研究方向:果树生物技术.

术在真核生物中的研究才得以迅速发展.随其研究而发展形成的反义技术,提供了一种更为直接有效的人为控制基因表达的方法,而倍受生物学界关注.虽然其机理仍在探讨之中,但利用反义RNA 技术调控细胞内某些基因的表达来定向控制某些生物性状,已有不少成功报道.反义转基因番茄的商品化生产是一个典型例子.

现已发现反义RNA 是原核生物中广泛存在的一种调节因子,对转座子活性、质粒复制、细菌或噬菌体的发育过程起调节作用.微注射的反义RNA 、天然的或构建反义基因转录物均能专一性地起抑制作用.因此,反义RNA 技术已成为反义技术研究的主流,已渗透到反向遗传学的各个领域,诸如抗病因子、反向筛选标记基因、农艺品质改良、次生代谢途径的调控等研究.一般认为,反义RNA 与靶RNA 具有特异互补性,通过碱基配对结合的方式在复制、转录、翻译等过程中起负调控作用,详细机理还不清楚[6,7].

2　果实成熟的生理学和分子生物学

采用反义RNA 技术控制果实成熟的研究,依赖于果实成熟生理和分子生物学知识的积累和突破性进展.果实成熟是指果实生长发育停止后发生的一系列生理生化变化的综合过程,其结果是果实形成典型的外观和食用品质,如成分、色泽、质地或其它感官属性发生变化[8].根据果实在成熟期间有无呼吸高峰区,可以分为跃变型和非跃变型2种类型.跃变型果实在成熟期间出现明显的呼吸高峰,即果实呼吸强度略有降低,然后突然跃迁升高,最后又突然下降,经过此呼吸转折的果实即进入成熟;而非跃变型果实无此呼吸高峰.跃变型果实的典型代表有番茄、香蕉、西瓜、苹果、桃、杏、枇杷、木奈等,非跃变型果实的典型代表有柑橘、葡萄、甜樱桃、草莓、菠萝等.

早在1934年Gane 就证明果实本身能生成乙烯(C 2H 4),同时提出了C 2H 4是成熟激素的概念,随后,C 2H 4的生成和作用一直是果实成熟研究中的一个重要内容[8].呼吸跃变与果实内C 2H 4的释放具有密切关系,内源C 2H 4生成超过某阈值,是果实发生跃变的前提,此值大约为0.1-1.0m g ・kg -1[7].果实跃变的基础是C 2H 4的诱导,而呼吸现象以及其它相继出现的如

RNA 和蛋白质的合成增多、

细胞透性变化等都是次生的.跃变型果实在成熟时发生一系列急速的成分变化,包括贮藏的多糖水解、细胞壁构成物(如果胶)的水解、有机酸变化、香气增加、

C 2H 4生成量上升、

涩味消失和色泽变化等.这一系列成分上的变化导致了相应果实组织崩溃,硬度下降.而多数非跃变型果实成熟过程缓慢,上述各种变化都是渐进的,不像跃变型果实那么急速.因此,在果实成熟时,跃变型果实与非跃变型果实的生理变化有明显区别.根据果实受丙烯处理时其C 2H 4生成反应的不同,通常认为C 2H 4合成具有2个调节系统.系统 存在于非跃变型果实和未成熟的跃变型果实中,负责调节基础水平的C 2H 4合成和创伤诱导的C 2H 4合成,不能自我催化;系统 负责跃变型果实成熟时C 2H 4的自我催化合成.A da m s et al [9]首次发现A CC 是C 2H 4生物合成的直接前体.Yang et al [10]确定了植物体内C 2H 4生物合成途径,提出C 2H 4的生成是以甲硫氨酸为底物,经S 2腺苷甲硫氨酸(SAM )合成酶、A CC 合成酶催化转化成A CC ,此一限速反应步骤由A CC 合成酶催化完成,A CC 再由A CC 氧化酶催化转化成C 2H 4.

C 2H 4合成这一途径,随后又被许多学者证实[11].因此,A CC 氧化酶和A CC 合成酶是C 2H 4合

成途径中的2个关键酶.

・224・福建农业大学学报　2000年第29卷