番茄bHLH转录因子家族全基因组鉴定及其在花器官发育和果实成熟中的调控机制研究

本研究系统鉴定了番茄177个bHLH转录因子，发现38.2%的成员在花和果实中优势表达，其中13个基因参与果实发育成熟调控。通过CRISPR/Cas9技术创制SlPIF3突变体，揭示其通过影响花粉活力导致雄性不育。研究为番茄分子育种提供了重要靶点和理论依据。

　　

在植物生长发育过程中，转录因子如同精准的分子开关，调控着关键基因的表达。其中碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix, bHLH)作为植物第二大转录因子家族，在拟南芥(Arabidopsis thaliana)等模式植物中已被证实参与光信号转导、花器官发育等重要生物学过程。然而在重要经济作物番茄中，bHLH家族的系统性研究仍存在明显空白——先前报道的159个成员数量可能被低估，且多数成员功能尚未明确。特别是在番茄栽培改良过程中，花器官形态建成和果实品质形成等重要性状与bHLH转录因子的关联机制亟待解析。

针对这一科学问题，温州科技职业学院浙南作物育种重点实验室的研究团队开展了系统性研究。通过对番茄基因组(SL 4.0)的深度挖掘，结合生物信息学分析和分子实验验证，不仅完善了番茄bHLH家族的基因组图谱，更发现了多个调控生殖发育的关键基因。这项重要成果发表在园艺学权威期刊《Scientia Horticulturae》上。

研究人员采用多组学整合的研究策略：首先基于隐马尔可夫模型(HMM)和BLASTP在全基因组范围鉴定bHLH成员；运用ClustalX和MEGA构建系统发育树；通过RNA-seq数据分析组织特异性表达模式；利用PlantCARE预测启动子顺式作用元件；采用STRING数据库构建蛋白互作网络；最后通过CRISPR/Cas9技术对候选基因SlPIF3进行靶向编辑。所有实验均以栽培番茄品种'YF'为材料，确保研究结果的农学应用价值。

研究结果部分呈现了系列重要发现：

1. 番茄bHLH家族特征分析

   鉴定获得177个bHLH成员，占基因组0.52%，显著多于先前报道。这些蛋白多数具有核定位信号，其bHLH结构域包含19个保守氨基酸残基，其中碱性区的H5-E9-R13 motif高度保守。根据DNA结合特性可分为G-box结合型(53.1%)、非E-box结合型(20.3%)等四类。

2. 基因组分布与进化分析

   基因在12条染色体上呈不均匀分布，染色体1含量最多(27个)。发现15个基因簇(含33个基因)和4个串联重复(5个基因)，47.5%的成员存在共线性关系。Ka/Ks分析显示所有同源基因对均经历纯化选择(Ka/Ks<1)，表明该家族在进化过程中功能约束较强。

3. 表达模式与功能预测

   38.2%的bHLH在花和果实中优势表达，其中Solyc01g102300.3等5个基因在雄蕊中特异性高表达。启动子分析发现这些基因富含光响应元件(156个)、乙烯响应元件ERE(17个)等调控模块。蛋白互作预测显示SlPIF3(Solyc01g102300.3)与SlPIF4存在强相互作用(Score>0.9)。

4. SlPIF3基因编辑表型

   成功获得2株SlPIF3纯合突变体，其花粉活力显著降低。突变体表现为花药畸形、柱头外露等表型，但营养生长未受显著影响。基因编辑以碱基缺失为主要突变类型，其中CR21突变体发生89 bp片段缺失导致阅读框移位。

在讨论环节，研究团队重点阐释了三方面科学价值：首先，修正了番茄bHLH家族规模(从159增至177个)，通过系统发育分析将成员划分为21个进化枝，其中clade 1-4和11-21以G-box结合蛋白为主。其次，发现13个可能调控果实发育成熟的候选基因，其表达模式与果实膨大(如Solyc01g086870.3在3 cm果实高表达)和成熟进程(如Solyc06g083980.3表达量随成熟度增加)高度相关。最重要的是，通过创制SlPIF3突变体，证实该基因通过影响花粉母细胞有丝分裂导致雄性不育，这为番茄杂交育种提供了宝贵的遗传材料。

这项研究不仅完善了番茄bHLH家族的基因组注释，更通过整合多组学数据和基因编辑技术，建立了从基因鉴定到功能验证的完整研究范式。发现的多个调控花器官发育和果实品质形成的关键基因，为番茄分子设计育种提供了理论支撑和基因资源。特别是SlPIF3突变体的成功创制，展示了CRISPR/Cas9技术在作物性状改良中的强大应用潜力，对推动番茄产业高质量发展具有重要意义。