番茄果实起始的时空调控：茉莉酸在花丝-胚珠转运中的关键作用及其通过赤霉素代谢调控的分子机制

本研究针对番茄(Solanum lycopersicum)无籽果实形成的分子机制这一重要科学问题，通过鉴定新型茉莉酸(JA)合成缺陷突变体Sldad1，揭示了JA在花丝特异性合成并通过时空特异性积累调控果实起始的新机制。研究人员利用成像质谱(DESI-MSI)等技术证实JA从花丝转运至胚珠，通过调控赤霉素(GA)代谢抑制果实起始。该研究为理解植物繁殖发育的激素调控网络提供了新视角，对园艺作物无籽果实育种具有重要指导意义。

　　

在园艺作物生产中，番茄果实发育是一个复杂而精妙的生物学过程。传统观点认为，番茄果实形成必须经过授粉受精过程，然而自然界中存在部分无需授粉就能形成无籽果实的现象，这种现象被称为单性结实(parthenocarpy)。虽然已知生长素和赤霉素(GA)在果实起始中起关键作用，但茉莉酸(JA)在这一过程中的功能仍不清楚。更令人困惑的是，JA在花器官发育中具有双重角色：既参与花药开裂等雄性发育过程，又影响胚珠发育等雌性功能。这种时空特异性的调控机制一直是植物生殖生物学研究的难点。

日本筑波大学(University of Tsukuba)生命环境科学研究科的研究团队通过大规模EMS诱变筛选，获得了一个能在不进行人工授粉和去雄处理(untouched conditions)下自然形成无籽果实的新型突变体Sldad1。通过图位克隆和全基因组测序，研究人员确定Sldad1突变发生在茉莉酸生物合成途径的关键基因SlDAD1上，该基因编码一种质体定位的磷脂酶A1(phospholipase A1)，是JA合成的起始酶。令人惊讶的是，虽然该基因在花丝中特异性表达，但JA却在胚珠中被检测到显著积累，这一发现暗示了JA可能存在器官间的转运机制。

为阐明这一现象，研究人员采用了多项关键技术：1)利用成像质谱技术(DESI-MSI)首次实现了番茄花器官中JA的时空分布可视化；2)通过免疫细胞化学分析证实JA在胚珠胚囊周围的精确定位；3)结合RNA-seq转录组分析和激素检测揭示了JA-GA信号通路的交互作用；4)采用CRISPR/Cas9基因编辑技术验证了SlDAD1基因功能。所有实验均在番茄微型品种'Micro-Tom'背景下完成。

研究结果部分揭示了多个重要发现：

"Spatiotemporal expression and JA concentration"部分显示，SlDAD1在花丝中特异性表达，在开花前2天(-2 DAA)达到峰值，与JA/JA-Ile的积累模式高度一致。突变体中JA合成几乎完全缺失，证实SlDAD1是JA合成的关键基因。

"JA is localized in the filament and ovule"部分通过DESI-MSI和免疫荧光技术证实，JA主要定位于野生型花丝和胚珠中，特别是在胚囊周围区域，而突变体中信号显著减弱。这一发现首次提供了JA在花器官间转运的直接证据。

"Sldadl-induced ovary growth is primarily promoted by cell expansion"部分发现，突变体子房壁增厚主要是通过细胞扩张而非细胞分裂实现的。组织学分析显示，非去雄处理的Sldad1子房从开花后2天开始就表现出明显的细胞扩张。

"Sldadl seedless fruits exhibit increased GA levels"部分通过激素检测发现，突变体子房中活性GA(GA1和GA4)水平显著升高，同时GA合成基因SlGA20ox3表达上调。使用GA合成抑制剂paclobutrazol(PAC)处理可抑制突变体的果实起始，证实GA是JA下游的关键效应因子。

"Transcriptome analysis of phytohormone-related genes altered in the Sldadl mutant"部分的RNA-seq分析显示，JA信号通路基因SlJAZ9等在野生型花丝和子房中高表达，而GA代谢相关基因在突变体中表达显著改变。这些数据揭示了JA通过调控GA代谢影响果实起始的分子机制。

在讨论部分，研究人员提出了一个创新性的工作模型：在野生型番茄中，花丝特异性合成的JA被转运至胚珠，通过抑制GA信号途径阻止授粉前的子房发育；而在Sldad1突变体中，JA合成缺陷导致这种抑制作用解除，GA水平升高促进细胞扩张，最终形成无籽果实。这一发现不仅阐明了JA在果实起始中的新功能，还揭示了植物繁殖过程中器官间激素交流的精密调控机制。

该研究的创新性体现在多个方面：首次在番茄中证实JA的器官间转运现象；揭示了JA通过调控GA代谢抑制果实起始的新机制；为理解植物生殖发育中激素网络的时空协调提供了范例。在应用层面，Sldad1突变体在高温条件下仍能保持较高的坐果率，这一特性对应对气候变化导致的授粉障碍具有重要价值。研究采用的DESI-MSI技术为植物激素原位检测建立了新方法，而发现的SlDAD1基因则为无籽番茄分子育种提供了新的靶点。

值得注意的是，与JA感知缺陷突变体jail-1不同，Sldad1仅影响JA合成而保留感知机制，因此只表现出部分雌性不育表型。这一发现深化了对JA信号通路组织特异性功能的理解。研究还发现，去雄处理会抑制Sldad1突变体的坐果，暗示花药可能产生某种促进子房发育的信号，这为后续研究提出了新的科学问题。