解析番茄耐热奥秘：野生与栽培品种的生理及转录组对比研究

在全球变暖背景下，番茄易受高温胁迫影响产量。研究人员对野生（LA1589）和栽培（M82）番茄进行耐热研究。结果发现 LA1589 耐热性更强，并鉴定出相关差异表达基因（DEGs）和关键模块。该研究为番茄耐热育种提供理论依据。论文发表在《Plant Growth Regulation》杂志上。

　　

全球气候变暖，高温天气愈发频繁，这对农作物的生长产生了极大的威胁。番茄作为世界上重要的蔬菜作物之一，对温度十分敏感。当白天温度超过 32°C 时，番茄就会遭受热胁迫，一旦超过 35°C，其生长发育会严重受阻，出现叶萎蔫、花粉不育、种子产量降低以及坐果率下降等问题，这使得番茄的产量和质量都受到严重影响。在这样的大环境下，培育耐热的番茄品种就成为了保障番茄产业稳定发展的关键。然而，此前研究在鉴定耐热材料时使用的指标不一致，缺乏可靠的指标来确认材料的耐热性，而且对于番茄耐热和热敏基因型的动态转录组研究也较少。

为了解决这些问题，华中农业大学的研究人员开展了一项针对番茄耐热性的研究。他们选取了栽培番茄品种 M82 和野生番茄品种 LA1589，对这两个品种的幼苗进行了 42°C 的热处理，并从生理生化和转录组水平进行了对比分析。研究发现，LA1589 在幼苗期表现出比 M82 更强的耐热性，同时鉴定出了大量与耐热性相关的差异表达基因和关键模块。这一研究成果为进一步揭示番茄耐热的分子机制以及培育耐热番茄品种提供了重要的理论基础，相关论文发表在《Plant Growth Regulation》杂志上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，对番茄幼苗进行不同时间的热处理，并采集特定叶片样本。然后，利用 RNA 测序（RNA-seq）技术获取转录组数据，通过生物信息学分析，如差异表达基因分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）等，挖掘与耐热性相关的基因和模块。同时，采用实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）技术对部分基因进行验证。

热胁迫对番茄表型和抗氧化酶活性的影响

研究人员对四周龄的 LA1589 和 M82 番茄幼苗进行 42°C 热胁迫处理 24 小时，随后在 25°C 恢复 24 小时。结果显示，热胁迫 24 小时后，M82 的萎蔫现象比 LA1589 更明显，恢复后 LA1589 基本恢复正常，而 M82 仍有叶片萎蔫症状。在抗氧化酶活性方面，LA1589 的 CAT 活性在热处理前后均高于 M82，SOD 活性在热处理 6 小时后，LA1589 显著高于 M82，且 24 小时后仍保持较高水平，POD 活性在热处理 12 小时时，LA1589 显著高于 M82。由此表明，LA1589 清除活性氧（ROS）的能力更强，对高温的耐受性更高。

热胁迫下两种基因型番茄 MDA 含量和 REC 的变化

热胁迫通常会导致植物产生如 MDA 和 ROS 等有毒物质，进而破坏细胞膜，引起电解质渗漏。研究发现，热处理前，LA1589 和 M82 的 MDA 含量和相对电导率（REC）无显著差异。热胁迫初期，两者 REC 均呈上升趋势，但随着胁迫持续，M82 的 REC 先下降后上升，LA1589 则持续下降。热胁迫 24 小时后，M82 的 REC 比 LA1589 高 1.61 倍。在 MDA 含量方面，热胁迫后两者均上升，6 小时时 M82 的 MDA 含量显著增加，LA1589 则无明显变化，24 小时后虽然两者都有增加，但 LA1589 的增幅明显低于 M82。这说明 LA1589 的细胞膜稳定性和修复能力更强，在热胁迫下的解毒能力更优。

热胁迫对番茄光合作用的影响

叶绿素含量（CC）和最大光化学量子产量（Fv?/Fm?）是衡量光合作用能力的重要指标。热处理前，LA1589 和 M82 的 CC 无差异。热胁迫 6 小时后，LA1589 的 CC 增加了 28.14%，M82 仅增加 9.89%；12 小时后，LA1589 的 CC 继续增加，M82 则恢复到热处理前水平。叶绿素荧光成像显示，热胁迫 6 小时后，两者叶绿素荧光均下降，但 LA1589 的下降幅度小于 M82，24 小时后，Fv?/Fm?在 LA1589 和 M82 中分别下降了 5.5% 和 7.3%。这表明 LA1589 在热胁迫下能更好地维持光合作用，对光系统 II（PSII）的损伤较小，恢复能力更强。

LA1589 和 M82 在热胁迫下转录组的动态变化

研究人员对 48 个叶片样本进行转录组测序，通过筛选和分析，确定了不同时间点的差异表达基因（DEGs）。总体上，随着热胁迫时间延长，DEGs 数量增加，恢复常温后数量显著减少。GO 和 KEGG 分析表明，这些 DEGs 参与了光合作用、叶绿素合成、温度和光响应、膜运输和蛋白质折叠等与耐热性相关的过程。此外，还发现了一些转录因子（TFs）在热胁迫响应中发挥着重要的调控作用。这表明番茄在热胁迫下会发生广泛的基因表达变化，以适应高温环境。

LA1589 和 M82 热响应基因的差异比较

通过比较 LA1589 和 M82 的特异性和共享 DEGs，发现 LA1589 有 1857 个基因特异性上调，1228 个基因特异性下调；M82 有 1916 个基因特异性上调，1021 个基因特异性下调。GO 和 KEGG 富集分析显示，M82 中特异性下调的基因主要与叶绿体相关过程有关，而 LA1589 中特异性下调的基因主要富集在质膜途径。这揭示了耐热的 LA1589 和热敏的 M82 在基因通路和调控机制上存在差异。

利用 RT-qPCR 验证 DEGs

研究人员选取了 SlHSP20.1、SlHSP70、SlHSFA7 和 CPK28 这四个潜在的热胁迫标记基因进行 RT-qPCR 验证。结果显示，这些基因的表达模式与 RNA-seq 结果一致，且 LA1589 中这些基因的表达水平大多高于 M82，进一步证实了 RNA-seq 数据的可靠性，同时也表明 LA1589 对热胁迫的耐受性更强。

利用 WGCNA 鉴定热响应基因模块

研究人员运用 WGCNA 分析，得到了与热响应相关的基因模块。其中，TM11 和 PM23 模块备受关注。TM11 模块与 LA1589 特异性相关，其核心基因 SlHsfA7 编码 A3 型热激转录因子（HSF），在热胁迫初期显著上调。PM23 模块与 CC 和 REC 显著相关，其中的 Solyc06g006080 基因编码硫胺素生物合成蛋白 ThiC，参与叶绿体发育，在热胁迫下 LA1589 中该基因持续上调，而 M82 中先下降后上升。这些结果表明，这些模块中的基因在调控番茄耐热性方面发挥着重要作用。

研究结论表明，LA1589 在幼苗期的耐热性优于 M82，这主要体现在其具有更高的抗氧化能力，能更好地维持叶绿素含量和光合作用能力，对植物的损伤更小。通过动态转录组分析，研究人员鉴定出了一系列与番茄耐热性相关的候选基因和关键模块，为进一步研究番茄耐热的分子机制奠定了基础。

在讨论部分，研究人员指出，该研究不仅揭示了番茄在热胁迫下的生理和分子响应机制，还发现了新的转录因子，为探索番茄耐热的分子机制提供了新的方向。此外，通过 WGCNA 分析确定的关键基因模块，有助于深入了解番茄在热胁迫下的基因调控网络。这些研究成果对于培育耐热番茄品种，提高番茄在高温环境下的产量和质量具有重要的指导意义。未来，研究人员计划对这些关键基因进行功能和机制研究，进一步揭示番茄耐热的分子奥秘，为农业生产提供更有力的支持。