钛离子促进番茄生长及增强抗逆性的分子机制研究

本研究针对现代农业过度依赖化学合成品导致的生态环境问题，探索了钛离子(Ti4+/Ti3+)作为新型生物刺激剂的作用机制。通过盆栽与田间试验结合转录组分析，发现8 mg/L钛离子处理可显著促进番茄根系发育、提升抗氧化酶活性(SOD/POD/CAT)，并缓解盐碱胁迫(200 mM NaHCO3)和脐腐病。RNA-Seq揭示钛离子通过上调DNA复制(ko03030)、核糖体翻译、植物激素信号(生长素/乙烯/赤霉素)及WRKY/MYB转录因子等通路，激活植物生长与抗逆相关基因表达。该研究为钛基生物刺激剂的农业应用提供了理论依据。

　　

现代农业面临严峻挑战：化学肥料和农药的长期使用导致土壤退化、重金属污染等问题，亟需开发环境友好的生物刺激剂。钛元素因其独特的光化学特性备受关注，但钛离子(Ti⁴⁺/Ti³⁺)如何调控植物生长的分子机制仍是未解之谜。番茄作为全球重要的经济作物和模式植物，其生长调控研究具有重要价值。

中国科学院成都生物研究所中国-克罗地亚"一带一路"生物多样性与生态系统服务联合实验室的研究团队在《BMC Plant Biology》发表论文，系统解析了钛离子促进番茄生长和增强抗逆性的分子机制。通过盆栽和田间试验结合比较转录组分析，发现8 mg/L钛离子处理24小时后，番茄叶片中4214个基因表达发生显著变化，其中DNA复制和核糖体翻译相关基因普遍上调，同时植物激素信号通路(如生长素AUXIN、乙烯ET、赤霉素GA)和WRKY46/MYB13等抗逆转录因子被激活。这些发现揭示了钛离子通过多通路协同作用促进植物生长的分子网络。

研究采用盆栽试验评估钛离子对番茄根系形态的影响，通过盐碱胁迫(200 mM NaHCO₃)和田间脐腐病发生率分析抗逆性，利用酶联免疫法测定SOD/POD/CAT活性及MDA/H₂O₂含量，并采用Illumina HiSeq 4000平台进行RNA-Seq，通过GO和KEGG富集分析差异表达基因。

钛离子促进番茄生长
根系扫描显示，钛离子处理组总根长增加38.3%(124.03 vs 89.69 cm)，根体积提升59.3%(0.1077 vs 0.0676 cm³)。转录组分析发现143个DNA复制和核糖体基因显著上调，如DNA复制许可因子MCM2-7(如Solyc11g040120表达量从34.12升至77.02 TPM)和60S核糖体蛋白L24(表达量增加1.75倍)，表明钛离子通过加速细胞分裂和蛋白质合成促进生长。

增强抗逆性
盐碱胁迫下，钛离子预处理使SOD活性提高47.2%，MDA含量降低28.6%。WRKY46/WRKY54等胁迫响应转录因子表达上调2.4-1.3倍，同时病程相关蛋白PR-1(Solyc09g007010)表达量激增32倍，解释了田间试验中脐腐病发生率显著降低的现象。

激素调控网络
钛离子通过抑制生长素抑制蛋白Solyc02g077880(表达量降低61%)和激活赤霉素调控蛋白Solyc02g083880(上调2.3倍)协调植物发育。AP2/ERF家族转录因子PLT2和ANT分别上调1.69和1.64倍，调控根系分生组织维持和器官定位。

该研究首次系统阐明了钛离子通过"DNA复制-蛋白质翻译-激素信号-抗逆应答"多级联通路促进植物生长的分子机制。相较于传统纳米TiO₂，抗水解稳定化钛离子(ASIT)具有水溶性好、环境释放少等优势，为开发新一代绿色农业投入品提供了重要靶点。研究结果对应对全球气候变化下的可持续农业发展具有重要指导意义。