《Horticultural Plant Journal》：Transcriptional Regulation and Adaptive Responses of Tomato to Abiotic Stresses
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本文是一篇全面闡述番茄非生物脅迫響應的分子機制綜述。文章系統總結了番茄在干旱、鹽堿、熱和冷等主要脅迫條件下的轉錄組變化，并深入剖析了其背后的信號轉導網絡（如MAPK、Ca2+信號）及關鍵轉錄因子（TFs，如NAC、MYB、WRKY、ZFPs、AP2/ERF）的核心調控作用。文章強調，多組學整合與前沿育種技術的結合是揭示番茄復雜脅迫適應機制、培育氣候韌性品種的關鍵。推薦給植物逆境生物學、園藝作物分子育種及相關領域的研究者閱讀。
番茄轉錄組對多種非生物脅迫的響應洞察
面對日益嚴峻的氣候變化挑戰，干旱、鹽漬、極端溫度等非生物脅迫嚴重威脅著全球第二大蔬菜作物——番茄的生產。轉錄組學作為一把利器，為我們揭示番茄應對這些脅迫的分子藍圖提供了關鍵洞見。
鹽脅迫的轉錄組洞察
鹽脅迫會導致離子失衡。研究發現，野生番茄（S. pimpinellifolium）比栽培種能特異性地誘導解毒相關基因（如SABP2）的表達。有趣的是，可變剪接（AS）在鹽適應中扮演著重要角色，番茄根中鹽脅迫下產生了大量差異可變剪接基因（DAS），涉及絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶、PPR蛋白等，這表明轉錄后調控是鹽響應網絡的關鍵一環。
干旱脅迫的轉錄組洞察
番茄通過復雜的轉錄重編程應對水分短缺。在耐旱材料中，大約400個干旱特異性響應基因被激活，其中包括轉錄因子、信號蛋白，以及涉及能量代謝（如果糖-1,6-二磷酸醛縮酶途徑）和活性氧（ROS）清除（如超氧化物歧化酶）的關鍵酶。這提示植物通過降低能耗、增加ATP供應和減少氧化損傷來適應干旱。值得注意的是，ERF轉錄因子家族基序在耐旱野生種S. pennellii中顯著富集。此外，研究發現綠光能夠通過影響ABA信號和bZIP轉錄因子SlHY5等途徑，增強番茄的耐旱性。非編碼RNA如microRNA（如sly-miR396a-5p）也在干旱響應中起調控作用。
熱脅迫的轉錄組洞察
高溫會引發廣泛的熱激反應。轉錄組分析發現，熱處理后的種子中有大量熱激響應基因上調，這可能有助于提升種子活力。在熱敏感品種中，短期熱脅迫即可導致大量基因差異表達，影響氧化還原代謝和水解酶活性，熱激蛋白（HSPs）如HSP17.6A、HSP21、HSP70顯著上調。研究還鑒定出與耐熱性相關的候選生物標志物基因以及WRKY75、MYB117等新的熱響應轉錄因子。
冷脅迫的轉錄組洞察
低溫會觸發復雜的轉錄反應。比較耐冷和冷敏感品系的轉錄組發現，差異表達基因（DEGs）富集在鈣信號、苯丙烷代謝等通路。有趣的是，果實和葉片間存在重疊的基因表達模式，暗示存在跨發育階段的共享調控因子。對高海拔野生種S. chilense的研究揭示，其耐冷性與ICE1和FAD7基因的組成型高表達有關。采后低溫貯藏也會引發獨特的轉錄組調整，涉及核糖體生物合成、可變剪接等過程。
復合脅迫下的轉錄組洞察
當番茄面臨復合脅迫（如熱+鹽、冷+旱）時，其轉錄反應并非單個脅迫的簡單疊加，而是表現出獨特的“主導脅迫偏向”。例如，熱鹽復合脅迫在根和莖中分別誘導了獨特的基因表達譜，并特異性地激活了海藻糖-6-磷酸酶（T6PS）基因。冷旱復合脅迫誘導的差異表達基因數量遠超單一脅迫，且存在大量復合脅迫特有的基因。這表明植物在復合脅迫下啟用了更為復雜和特異的轉錄調控框架來應對環境挑戰。
調控番茄脅迫響應的分子網絡
轉錄組的變化是由上游信號感知和轉導網絡所驅動的，這些信號最終匯聚于轉錄因子，實現對下游基因表達的精密調控。
非生物脅迫的信號轉導
脅迫信號被感知后（如FERONIA受體感知鹽脅迫引起的細胞壁變化），會激活復雜的蛋白激酶級聯反應，包括MAPK、SnRK、RLK、CPK等。展示了這些激酶在番茄應對不同脅迫中的核心作用。例如，SlMAPK1通過調節茉莉酸（JA）介導的氣孔響應和抗氧化防御來增強耐旱性，但在熱脅迫下卻可能起負調控作用。鈣離子（Ca2+）作為關鍵的第二信使，其信號被CBL、CML、CPK等傳感器解碼，進而調控離子穩態、糖積累和抗氧化防御等過程。此外，ROS和植物激素（如ABA、JA、乙烯）也是信號網絡的核心組成部分。ABA是介導干旱和鹽響應的主要激素，而JA在冷、旱、鹽響應中通過MYC2等轉錄因子促進抗氧化防御和多胺積累。
參與番茄非生物脅迫適應的轉錄因子
轉錄因子是連接信號轉導與基因表達重編程的樞紐。多個TF家族在番茄脅迫響應中扮演關鍵角色。
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NAC轉錄因子：這是一個在發育和脅迫適應中起關鍵作用的大型植物特異性TF家族。例如，SlNAC12通過維持離子穩態和增強抗氧化酶（如SOD、POD）活性來提高耐鹽性。SlNAC6則通過促進ABA生物合成來增強耐旱性。SlNAC1在調控番茄耐熱和耐冷性中均發揮重要作用。
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MYB轉錄因子：尤其是R2R3-MYB亞家族，在脅迫響應中功能多樣。SlMYB102通過維持Na+/K+穩態、激活抗氧化系統和積累脯氨酸來增強耐鹽性。LeAN2通過促進花青素積累和修復光系統II（PS II）的D1蛋白來增強耐熱性。而SlMYB15則通過與HY5互作促進CBF基因表達來增強耐冷性。
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WRKY轉錄因子：以其保守的WRKYGQK基序為特征，是干旱、鹽、溫度脅迫響應的關鍵調節因子。SlWRKY8通過上調抗氧化酶活性和脅迫響應基因表達來增強對干旱和鹽的耐受性。SlWRKY6則通過調控ABA信號通路來增強耐旱性。在耐冷性方面，野生番茄中WRKY34啟動子的一個InDel變異使其能與染色質重塑因子SWIB結合，進而抑制自身表達，從而增強耐冷性；而栽培番茄中SlWRKY33啟動子一個關鍵的單核苷酸變異（C-T）則使其喪失冷響應能力。
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鋅指蛋白（ZFPs）：這是一個多樣化的TF家族，C2H2型在非生物脅迫中作用突出。SlZF3通過與CSN5B互作穩定VTC1，促進抗壞血酸（AsA）積累以增強耐鹽性。B-box蛋白如SlBBX31在熱脅迫中起負調控作用，但在冷脅迫下，被SlHY5激活后又能正調控耐冷性。另一個B-box基因SlBBX18的自然等位變異（一個提前終止密碼子）會抑制APX1表達，導致H2O2積累，從而降低栽培番茄的耐旱性。
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AP2/ERF轉錄因子：ERF亞家族成員在非生物脅迫響應中至關重要。SlERF1通過促進滲透調節物質積累和激活脅迫相關基因來正調控耐鹽性。在干旱響應中，ERF.D2被CPK27磷酸化并經PUB22介導泛素化降解，進而促進JA生物合成，增強耐旱性。在冷脅迫下，SlERF15被ABA誘導表達，并通過調控SlCBF1和SlWRKY6等下游TF來增強耐冷性。
除了上述家族，HSFs、bHLHs、bZIPs等轉錄因子也參與番茄脅迫響應。這些轉錄因子整合了ROS、ABA、JA和鈣信號等多種途徑，共同決定了植物應對環境挑戰的響應規模和特異性。
展望：邁向氣候韌性番茄育種
盡管在鑒定番茄脅迫響應基因方面取得了顯著進展，但與水稻、玉米等主要谷物作物相比仍有差距。未來研究需采用系統性和創新性方法。
一方面，需要深入解析番茄的非生物脅迫信號網絡，從脅迫感知元件、信號轉導到基因表達調控的全過程。另一方面，應結合多組學和前沿育種技術，探索番茄對多重脅迫的整合響應，以識別新的抗逆調控靶點。
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正向與反向遺傳學的結合：全基因組關聯分析（GWAS）等技術已成功鑒定出少數與耐鹽（如SlHAK20、SlSOS1/2）、耐旱（如SlMYB13、SlBBX18）和耐冷（如SlBBX31）相關的自然變異位點。但與傳統表型鑒定瓶頸有關，基于圖像的高通量表型組學技術有望極大增強正向遺傳學的威力。
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多組學與泛組學的整合：轉錄組、蛋白質組、代謝組等多組學技術的整合，能夠從基因表達、蛋白質積累到代謝物變化等多個層面系統解析脅迫響應機制。而泛基因組、泛轉錄組等泛組學策略，能捕獲種內遺傳多樣性，為揭示表型變異的分子基礎提供高分辨率圖譜。
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關注復合脅迫：氣候變化下，作物更常面臨多種脅迫的組合（如干旱加熱、鹽加熱）。復合脅迫常引發獨特的分子反應，且可能存在“主導脅迫偏向”，即響應模式更偏向于其中一種脅迫。例如，短期熱旱復合脅迫中，干旱響應可能占主導。理解番茄在復合脅迫下的動態優先級響應系統，對于培育廣譜抗逆品種至關重要。
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前沿育種技術的應用：快速育種、單倍體育種可加速構建遺傳群體（如RILs、BILs）。CRISPR/Cas9等多重基因組編輯技術能高效驗證通過組學或GWAS發現的候選基因。
總之，表型組學、多組學、泛組學與先進育種技術的深度整合，構成了一個從表型觀測到分子機制解析再到遺傳改良的完整技術平臺。擁抱這些綜合方法，對于開發能夠抵御日益復雜環境挑戰的氣候韌性番茄品種至關重要。
