在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授郝玉金的電腦里，有一張?zhí)O果果實(shí)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(tuán)隊(duì)十余年來的科研心血，也藏著我們團(tuán)隊(duì)對蘋果果實(shí)色澤和風(fēng)味品質(zhì)調(diào)控分子機(jī)制的一個(gè)又一個(gè)揭秘。”看著這張圖片，郝玉金向《科學(xué)新聞》娓娓道來他對蘋果果實(shí)品質(zhì)研究的情有獨(dú)鐘。
色澤是影響果實(shí)賣相的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，在決定蘋果等果實(shí)色澤的植物色素中，花青苷尤為重要。郝玉金團(tuán)隊(duì)便從蘋果色澤入手，潛心研究有關(guān)調(diào)控信號(hào)。如今，他們已鑒定了多個(gè)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(gè)基因編碼的蛋白為MYB-bHLH-WD40（MBW）蛋白復(fù)合體的重要組成部分。
團(tuán)隊(duì)還驚喜地發(fā)現(xiàn)，MBW蛋白復(fù)合體是蘋果響應(yīng)外界光照和溫度變化的核心“機(jī)構(gòu)”，同時(shí)“指揮”蘋果果實(shí)中花青苷、乙烯、糖分、有機(jī)酸等物質(zhì)的積累，影響果實(shí)的成熟、色澤和風(fēng)味品質(zhì)。
這些成果也得到了同行專家的認(rèn)可，并以論文形式發(fā)表于《新植物學(xué)者》《植物生理》等高水平學(xué)術(shù)期刊。
探尋生產(chǎn)中的科學(xué)
光照和溫度等環(huán)境因素影響果實(shí)色澤和風(fēng)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(biāo)。然而，光照和溫度調(diào)控果實(shí)品質(zhì)的分子機(jī)制是什么？在郝玉金瞄向蘋果果實(shí)品質(zhì)的光溫調(diào)控機(jī)理研究之前，沒人能回答這個(gè)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(shí)，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(jìn)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(dǎo)下，郝玉金對我國的蘋果產(chǎn)業(yè)做了調(diào)研，進(jìn)一步確認(rèn)了提高果實(shí)品質(zhì)是生產(chǎn)實(shí)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(shí)品質(zhì)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和分子機(jī)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(shí)藏著很多有意思的科學(xué)問題，比如果樹怎么感應(yīng)溫度和光照等環(huán)境信號(hào)？怎么接收？怎么傳導(dǎo)下去最終調(diào)控果實(shí)的色澤和風(fēng)味品質(zhì)？我想找到它的根源。”
消費(fèi)者對蘋果等果實(shí)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(yuǎn)一看，果實(shí)的顏色鮮艷，會(huì)更吸引消費(fèi)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(shí)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(shí)受果皮細(xì)胞液泡酸堿度（pH值）的影響。這些因素協(xié)同作用，使果實(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(fù)合體中的MdbHLH3和MdMYB1蛋白在響應(yīng)環(huán)境因子信號(hào)、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(hào)，是果實(shí)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(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很有意思的現(xiàn)象，那就是花青苷過量積累時(shí)，蘋果果實(shí)的酸度也會(huì)提高。“蘋果果實(shí)中含有大量的有機(jī)酸，調(diào)控果實(shí)酸度。有機(jī)酸的種類和含量直接影響果實(shí)的風(fēng)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(biāo)性狀。”
蘋果酸是蘋果果實(shí)中最主要的有機(jī)酸，占總酸量的80％以上，直接決定果實(shí)的酸度；同時(shí)，有機(jī)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(shí)的風(fēng)味品質(zhì)。
調(diào)控花青苷的基因是否影響蘋果果實(shí)糖分和有機(jī)酸的積累？郝玉金課題組有了一個(gè)大膽的推測，也就是蘋果著色和風(fēng)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(yùn)輸與積累的影響。
“多次的重復(fù)試驗(yàn)證實(shí)了我們的推測是正確的。”郝玉金團(tuán)隊(duì)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(shí)細(xì)胞中的運(yùn)輸和積累，并且對有機(jī)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(tuán)隊(duì)的研究表明，MdMYB1是個(gè)“多面手”，不僅控制花青苷的合成，還促進(jìn)花青苷、蘋果酸和糖分向果肉細(xì)胞液泡中運(yùn)輸。同時(shí)，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(yùn)輸提供能量，促進(jìn)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(shí)的酸度和色澤。
這些成果也意味著在蘋果果實(shí)品質(zhì)調(diào)控的“網(wǎng)絡(luò)圖”上，郝玉金團(tuán)隊(duì)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(shí)果實(shí)才變甜、變紅，便因此認(rèn)為蘋果果實(shí)成熟是“因”，果實(shí)品質(zhì)物質(zhì)如可溶性糖、有機(jī)酸、花青苷等的積累是“果”。但讓郝玉金和團(tuán)隊(duì)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(shí)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(rèn)為的“因果”關(guān)系來解釋。
真的如同人們認(rèn)為的一樣，蘋果果實(shí)成熟是原因，蘋果果實(shí)色澤和風(fēng)味物質(zhì)的積累變化是后果嗎？蘋果果實(shí)品質(zhì)和果實(shí)成熟信號(hào)之間有協(xié)同促進(jìn)關(guān)系嗎？帶著這些疑問，郝玉金團(tuán)隊(duì)把目光轉(zhuǎn)到MBW蛋白復(fù)合體能否同時(shí)調(diào)控蘋果果實(shí)花青苷積累和果實(shí)成熟的研究上來。
“考慮到植物激素乙烯對蘋果果實(shí)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(shí)花青苷的積累，而MBW蛋白復(fù)合體是調(diào)控蘋果果實(shí)花青苷合成的關(guān)鍵因素。”于是，團(tuán)隊(duì)決定從乙烯與MBW蛋白復(fù)合體的調(diào)控關(guān)系著手進(jìn)行研究。
事實(shí)證明郝玉金和團(tuán)隊(duì)成員的思路是正確的。果實(shí)發(fā)育前期僅產(chǎn)生微量乙烯，隨著果實(shí)成熟，乙烯釋放逐漸增加，成熟果實(shí)的乙烯釋放達(dá)到峰值，而果樹成熟的同時(shí)也伴隨著果實(shí)品質(zhì)物質(zhì)的積累。“這是常識(shí)，但我們透過現(xiàn)象看到了更多本質(zhì)。”郝玉金及團(tuán)隊(duì)對此倍感振奮。
他們弄清了蘋果果實(shí)品質(zhì)形成和果實(shí)成熟協(xié)同促進(jìn)的分子機(jī)制，即蘋果果實(shí)MBW蛋白復(fù)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(jìn)乙烯生物合成；同時(shí)，MdMYB1蛋白還介入了乙烯信號(hào)傳導(dǎo)過程。
如今，郝玉金團(tuán)隊(duì)在蘋果色澤和風(fēng)味領(lǐng)域的研究碩果累累。“我們在近20年不斷地試驗(yàn)中，證實(shí)了MBW蛋白復(fù)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(jìn)果實(shí)成熟，進(jìn)而全面影響果實(shí)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(gè)蛋白復(fù)合體“做文章”，如篩選誘導(dǎo)MBW蛋白復(fù)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(shí)風(fēng)味，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(dāng)?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(xué)科交叉融合，研發(fā)栽培技術(shù)，克服雨季和旱季對蘋果風(fēng)味品質(zhì)的影響�！�