文 | 清墨史纪

编辑 | 清墨史纪

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蓝莓在世界范围内受到广泛赞赏，因为它们含有植物营养素，如类黄酮，这是在1900年代初发现的。

蓝莓果实中的类黄酮已被证实可以控制糖尿病，发挥抗炎和神经保护作用，通过其抗氧化活性影响和保护眼睛健康。

由于蓝莓成分的功能使其被越来越多的人接受为“超级水果”，因此从35年到2004年，全球蓝莓产量大幅增长了2016%。

然而，由于呼吸，蒸发，病原体感染和细胞壁降解，蓝莓果实具有高易腐烂性的特征。如何保持果肉蓝莓果实的质量是一个亟待解决的问题。

一、蓝莓果实软化研究方面

蓝莓果实软化研究的主要方向有两个方面。一种是关于与细胞壁结构和一些水解酶有关的果实软化机理，另一种是通过外部处理延长保质期。

如冷阶段，高氧处理，角质保蜡，乙烯吸收处理，硝普钠处理和阿西苯并拉尔-S-甲基处理。

硝普钠处理和阿西苯并拉尔-S-甲基处理的主要理论是提高木质素代谢途径中苯丙氨酸解氨酶和CoA连接酶和过氧化物酶的活性。

以催化酚类物质前体聚合成木质素酚类，从而使果实木质化，增强宿主细胞壁，抑制病原体生长。

二、木质素在水果中的作用

木质素是细胞壁的特征成分，水果的处理可诱导木质素生物合成途径的变化，以影响代谢物对病原体感染和果实硬度产生影响。

目前，许多果树和蔬菜已被报道其木质化对采后水果的影响，如草莓，红树莓，西葫芦果和蓝莓。

影响木质化的主要处理方法是采后外施。关于基因改造增加果实木质化以有效延长保鲜期的研究屈指可数。

三、OMTs在植物生长发育中的作用

O-甲基转移酶是木质素和类黄酮生物合成途径中的一种多功能酶，在拟南芥中，它可以将咖啡酸转化为阿魏酸。

将5-OH针叶醛/5-OH针叶醇转化为芥子醛/芥子醇，形成木质素的G和S单位。COMTs催化N-乙酰血清素转化为褪黑激素。

它们的过表达也可以帮助植物生长，高粱双色COMT可参与黄酮生物合成甲基化黄酮木犀草素和塞尔金。

MOMT4在白杨中的表达可以改变木质素的结构，从而增加G单位对缩合木质素亚基的交联。

在类黄酮生物合成途径中，类黄酮的抗氧化活性与羟基取代基的数量有关：更多的羟基取代基与更强的抗氧化和促氧化活性有关。

COMT中保守的基序有7个，其中基序A和基序E可能是假定的SAM结合结构域。COMT具有更广泛的催化底物，例如木质素前体，生物碱，类黄酮。

这些化合物在植物生长发育以及面对生物和非生物胁迫时起着重要作用。因此，植物OMT酶已被广泛研究。

不同植物基因组的发表使得能够对几个物种的COMT家族基因进行分析，蓝莓因其大量的类黄酮而被广泛研究。

四倍体蓝莓基因组于2019年发布，在这项研究中，我们基于四倍体蓝莓的基因组，确定了COMTs家族。

以寻找可能与蓝莓果实生长发育过程中木质素前体和类黄酮甲基化有关的OMT。本研究结果将为培育果实硬度更高、保质期更长的蓝莓品种奠定基础。

四、植物受到胁迫时COMTs的反应

COMT可以与各种底物发生反应，例如苯丙烷类，类黄酮和生物碱，因此，它们在植物中无处不在，因为它们在植物适应环境和逆境中的重要性。

早在上个世纪，科学家们就开始对COMT基因在植物中的作用感兴趣。不同植物基因组的发表使得能够对几个物种的COMT家族基因进行分析。

蓝莓因其大量的类黄酮而被广泛研究。四倍体蓝莓基因组于2019年发布，已鉴定出92个 COMT，根据它们的染色体位置命名为VcCOMT1-VcCOMT92。

也许是因为结合底物不同，两类的VcCOMT序列彼此不同。我们确定了这些在COMT中高度保守的基序，58个基序中的一些残基与SAM/SAH结合位点有关。

多比一比例之所以存在，可能是因为蓝莓进化过程中环境的影响，或者由于存在一些具有不完整结构域的冗余基因，不同染色体中的一些COMT拷贝已经丢失。

一对多比率可能是不同的亚功能化和新功能化的结果。在同源染色体上共线性和高序列相似性的62个COMTs序列在蓝莓基因组中具有相似的启动子序列。

启动子区域中存在的顺式调控元件是COMTs基因与其他蛋白质的结合位点，在调节基因转录中起核心作用。

有大量光响应相关调控元件、节律元件和调控元件促进植物胚乳和种子生长，可能与植物生长和木质素合成有关。

在蓝莓COMT基因的启动子区，还发现了一些与激素和应激相关的调控元件，这与之前的研究一致。当植物受到胁迫或用外用激素处理时，COMTs的含量增加。

五、木质素与COMT基因之间的关系

在这项研究中，在从藻类到陆地植物的15种植物中发现了不同数量的COMT，COMTs从藻类到陆地植物的进化导致了二聚化域的变化。

此外，我们发现，在双子叶植物中，COMT的数量大于其他双子叶植物，而小于葡萄、马鲁斯X家养和牛痘的数量。

血管组织的发育是苔藓植物和苔藓植物之间差异的基础。木质素是维管组织的主要成分，为植物提供直立的结构支撑。

COMT是木质素生物合成中重要的甲基转移酶，其甲基化木质素成分类似于Selaginellamoellendorffii中的S单元。

目前的研究表明，陆地植物中木质素的进化与COMT基因的进化相关。

六、基因复制对植物的影响

蓝莓中VcCOMTs与其他植物物种中COMTs共线性的比较表明，与其他COMTs共线性的VcCOMTs对于不同物种几乎相同。

蓝莓与猕猴桃间部分COMT共线性基因对在蓝莓中表现为39个COMT基因，猕猴桃果实呈现47个COMT基因，但蓝莓与杜鹃的共线性对呈一对多形式。

也许结果表明猕猴桃经历了两轮WGD，形态表明COMT基因在牛痘和杜鹃花分化后重复。基因复制有五种形式：DSD、PD、TRD、TD、和WGD。

不同的基因复制模式对不同植物物种中COMT家族的扩变有不同的影响。DSD是除葡萄外的35种植物进化的主要特征。

先前的研究表明，COMT基因在所有同源染色体上都有串联重复，在目前的研究中，MCscanX并未在所有同源染色体上鉴定出VcCOMTs的TD。

相比之下，基因扩增的主要驱动因素是胡杨中的WGD和TD，在柑橘中，TD和WGD事件的数量相似。

COMTs在玉米、水稻和粟中具有相似的基因拷贝数，这些基因组中的基因扩增主要由TD和节段复制产生。猕猴桃COMTs的WGDKs小于中华猕猴桃的Ad-β平均值Ks。

该结果表明，猕猴桃COMT的WGD发生在Ad-β的共享WGD之前，四倍体蓝莓COMT的WGDKs也小于二倍体蓝莓的Ad-β平均值Ks。

这一结果表明，四倍体蓝莓VcCOMTs的WGD发生在共享的EricalesWGDAd-β事件之前。杜鹃花威廉姆斯COMT的WGDKs介于Ad-β事件的Ks和At-γ事件的Ks之间。

这表明杜鹃花的WGD发生在两个共享事件之间，植物COMT的基因复制模式的Ka/Ks比值均小于，表明COMTs经历了较强的纯化选择。

七、木质素对果实发育的影响

果实发育过程中，果实木质素含量先升高后降低。这种现象可能与果实发育过程中木质素的形成有关。早期果实膨大变硬，木质素含量变高。

从绿色果实期到变色期，果实变软，木质素含量呈下降趋势，基于RNA-seq的VcCOMT差异表达数据，选择22个VcCOMT用于qRT-PCR的基因表达检测。

62个基因在果实发育过程中与木质素表达趋势相似。尽管VcCOMT40在果实发育过程中与木质素表达具有相同的趋势，它在果实发育过程中的相对表达太低。

结果表明，它不是果实发育过程中与木质素含量相关的主基因。VcCOMT92和VcCOMT38在果实发育过程中的相对表达量在VcCOMTs中几乎最高。

但果实发育过程中单基因表达趋势与木质素表达趋势略有不同。由于序列的高度相似性，为了反映单个基因的作用，引物被设计在大多数序列不同的地方。

我们在同源区域设计了一对引物，包括四个VcCOMT基因，具有非常高的相似性。当我们再次进行qRT-PCR时，发现结果与果实发育过程中木质素的趋势一致。

八、蓝莓中VcCOMT基因启动子的分析

转录的开始是基因表达的关键阶段，这个阶段的一个重要事件是RNA聚合酶与启动子之间的相互作用。

启动子的结构会影响RNA聚合酶的结合亲和力，从而影响基因表达水平，我们分析了蓝莓COMT基因上的顺式作用元件。

蓝莓COMTs的结果与梓树COMTs的结果相似，根据功能，来自COMT的顺式作用元件可分为四类。

光响应相关基序构成了蓝莓COMTs上大多数顺式作用元件，并分布在所有组中。这一发现表明蓝莓中的COMT基因可能受光控制。

在启动子区发现了许多与植物生长发育相关的顺式作用元件，如与胚乳相关的AACA基序和GCN4基序，与种子特异性调控相关的RY元件。

参与昼夜节律控制的调控元件昼夜节律和与细胞周期调控相关的MSA样元件。我们发现COMT的启动子区域存在一些与应激相关的顺式调节元件和一些激素相关的CRE。

如LTR，ARE，富含TC的重复序列和其他与应激反应相关的ABRE，ERE，TGA-BOX，TCA，as-1与激素相关的CRE。

在启动子区也发现了MYB结合位点、MYC暴饮暴食位点和W-box，它们是与MYB、bHLH和WRKY蛋白的转录因子结合位点，同一亚组中VcCOMTs的启动子相似。

通常，同源染色体上具有较高相似性和更高共线性的序列，它们的顺式作用元件的类型甚至顺序是相似的。

序列中的相似调控元件可能会极大地影响基因表达模式和基因功能之间的相似性。绝大多数VcCOMTs具有与脱落酸相关的ABRE和与水杨酸相关的TCA基序。

九、结论

咖啡酸O-甲基转移酶在天然产物的多样化中起着重要作用，特别是在植物的苯丙氨酸代谢途径中。

蓝莓中COMT基因的含量，及其表达模式与果实发育过程中木质素含量的关系，目前尚未得到明确的研究。

在这里，我们从蓝莓中鉴定了92个COMT基因，从其他425个物种中鉴定了15个COMT基因。根据COMTs的系统发育分析，我们将COMTs分为两组，表明存在两个祖先基因。

DSD和WGD被揭示为蓝莓进化的主要力量。1种植物COMTs基因复制模式的Ka/Ks比值小于22，表明COMTs经历了较强的纯化选择。