多倍体化是植物进化的重要力量。根据染色体来源不同，多倍体可分为同源多倍体和异源多倍体。异源多倍体不但基因组加倍，同时也固定了杂交优势，通常表现出更强的生物量、生活力和更好的环境适应性，在作物改良中发挥着重要作用。异源多倍体化导致的新性状研究主要集中在基因组、蛋白组和表观基因组层面，蛋白质翻译后修饰（PTMs）作为一种精细且快速的调控手段，可能在其中扮演着重要作用，但目前研究还是空白。非组蛋白乙酰化修饰通过多种机制影响蛋白质功能，包括调节酶活性、蛋白质稳定、蛋白质互作等，但异源多倍体化导致的新性状产生与乙酰化修饰的关系尚不清楚。
近日，304.cam永利集团园艺植物生物学教育部重点实验室郭文武教授课题组在国际学术期刊Plant Physiology在线发表了题为“Acetylome reprograming participates in the establishment of fruit metabolism during polyploidization in citrus”的研究论文。该团队以柑橘异源四倍体体细胞杂种果实为材料，首次在柑橘果肉绘制乙酰化修饰图谱，并揭示异源多倍体化如何通过非组蛋白乙酰化修饰影响柑橘果实代谢。
柑橘是世界和我国南方最重要的果树，由于存在珠心多胚性干扰、雌/雄器官败育、童期长等障碍，使得杂交育种效率较低。原生质体融合技术有效克服了这些障碍，极大丰富了柑橘属基因库。通过原生质体融合获得的柑橘体细胞杂种为异源四倍体，不仅可以用于多抗、矮化的砧木品种选育，还可以通过与优异二倍体品种杂交创制无核三倍体。研究发现，以HB柚为叶肉原生质体亲本、以‘Nova’橘柚为愈伤原生质体亲本，通过原生质体融合技术创制的异源四倍体体细胞杂种‘NH’，其细胞核基因组来自双亲，叶绿体和线粒体基因组来自叶肉融合亲本HB柚；异源四倍体化伴随着广泛的果实性状变异，异源四倍体杂种果实大小介于双亲之间，且偏向‘Nova’橘柚。HB柚果皮为淡黄色，果肉为粉红色，‘Nova’橘柚果皮和果肉均为橙红色，而体细胞杂种果皮颜色介于双亲之间，为橙黄色，果肉为淡黄色。该异源四倍体杂种果肉有机酸含量显著高于双亲，类胡萝卜素含量则低于双亲。
图1柑橘异源四倍体体细胞杂种形成及果实品质特征
研究人员采用TMT标记的定量乙酰化修饰组学技术，对该异源四倍体杂种及其双亲果肉组织进行分析发现，大量非组蛋白类蛋白被鉴定存在乙酰化修饰，共鉴定到1600余个蛋白的4000余个乙酰化修饰位点。与其他已报道植物物种类似，大部分蛋白存在于三羧酸循环、能量代谢等初生代谢途径。有趣的是，柑橘果肉中鉴定到更多参与次生代谢的乙酰化蛋白及位点。在异源四倍体杂种中，具有亲本偏向性特征的果实品质性状（果实酸度、黄酮醇积累等）与乙酰化水平偏向性密切相关。这种相关性可能通过乙酰化调控相关代谢酶活性实现。蛋白乙酰化可能导致异源多倍体化过程中蛋白质与mRNA表达不一致。研究人员对柑橘基因组中鉴定到的乙酰转移酶（KATs）和去乙酰化酶（KDACs）家族基因分析发现，异源多倍体化导致的乙酰化组重编程可能与去乙酰化酶在异源四倍体杂种低表达有关；柑橘愈伤组织过表达去乙酰化酶基因CgSRT2和CgHDA8，能将代谢流从初生代谢转入次生代谢，并部分恢复异源四倍体杂种的代谢状态。进一步利用去乙酰化酶抑制剂体外处理柑橘果肉及愈伤组织，表明这种化学处理方法诱导的蛋白高乙酰化能极大影响柑橘果实代谢。
综上所述，该研究揭示了乙酰化修饰在柑橘果实代谢调控过程中的作用，并提出蛋白乙酰化组重编程在多倍体化过程中调控性状变异的重要意义，为多倍体化导致的新性状产生提供了新的理论基础。
图2蛋白乙酰化对柑橘异源多倍体化过程中品质性状重塑影响的模型
304.cam永利集团2019级果树学博士研究生张苗为该论文第一作者，郭文武教授和课题组已毕业博士谭丰全（现为法国巴黎萨克雷大学博士后）为共同通讯作者，邓秀新院士和美国佛罗里达大学Jude Grosser教授等参与了研究工作。该研究依托304.cam永利集团园艺植物生物学教育部重点实验室平台，受到国家重点研发计划项目（2018YFD1000200）、国家自然科学基金（31820103011, 32172525）和湖北洪山实验室基金（2021hszd009）资助。
郭文武教授课题组长期从事柑橘细胞工程与遗传改良研究。针对我国原产特色柑橘品种种子多、品质退化和高效育种技术缺乏等问题，二倍体水平上，创建通过细胞工程技术实现果实无核的新育种途径，缩短育种周期至少20年；多倍体水平上，构建多种细胞工程高效育种技术，创制大量多倍体新种质。培育出柑橘无核优质系列新品种和新品系，助力我国柑橘种源自主可控和种业科技自立自强。同时，基于柑橘细胞工程新种质，研究雄性不育、体细胞胚发生、多倍体广适应性和果实品质表观遗传变异等科学问题，在Plant Physiology、Plant Biotechnology Journal、Journal of Experimental Botany、Theor Appl Genet、园艺学报等国内外刊物发表论文100余篇，为柑橘细胞工程定向精准改良提供了坚实的理论支撑。
作者：张 苗
审核：郭文武