多胺生物合成途径调控番茄耐冷性的代谢组与转录组整合分析

推荐：本研究通过整合代谢组与转录组分析，揭示野生番茄Solanum habrochaites( SH )中多胺( PAs )生物合成途径对低温( LT )胁迫的调控机制。研究发现鸟氨酸脱羧酶( ShODC1 )是PA合成的关键酶，其瞬时沉默会降低抗氧化能力、光合作用及下游基因( ShSPDS/ShSPMS )表达，导致腐胺( Put )积累减少。该研究为番茄抗逆育种提供了新理论依据。

　　

低温胁迫是限制番茄越冬生产的重要环境因素，长期暴露于低温环境会导致叶片萎黄、生长迟缓，严重影响产量和品质。随着气候变化加剧，极端温度事件频发，全球作物生产的可持续性面临严峻挑战。面对这一难题，植物进化出了复杂的适应机制，其中多胺( PAs )作为一类广泛存在于生物体中的脂肪族多阳离子，在调节细胞生长、发育和应激反应中扮演关键角色。然而，关于多胺生物合成途径如何调控番茄耐冷性的分子机制尚未完全阐明，特别是鸟氨酸脱羧酶( ODC )这一关键催化酶在低温响应中的调控机制仍有待解析。

为揭示这一科学问题，Meiliang Wang等研究人员在《Horticultural Plant Journal》发表了题为"Integrated analysis of the metabolome and transcriptome reveals the effect of the polyamine biosynthesis pathway on the cold resistance regulation mechanism in Solanum habrochaites"的研究论文。该研究以耐冷性强的野生番茄Solanum habrochaites( SH )和栽培番茄( AC )为材料，通过整合代谢组与转录组分析，结合生理生化实验和基因功能验证，系统解析了多胺生物合成途径在番茄耐冷性调控中的作用机制。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：1) 使用MGI高通量测序仪进行转录组测序，通过HISAT2软件比对和DESeq2分析差异表达基因( DEGs )；2) 采用UPLC-MS/MS技术进行代谢组检测，通过PLS-DA模型筛选差异积累代谢物( DAMs )；3) 通过病毒诱导基因沉默( VIGS )技术构建ShODC1沉默植株( SP )；4) 利用农杆菌介导的瞬时转化进行亚细胞定位分析；5) 采用Li-6400便携式光合仪测定光合参数；6) 通过HPLC测定多胺含量。

研究结果主要包括：

3.1 转录组测序质量分析

PCA和聚类热图分析显示AC和SH显著分为两组，共鉴定出9，364个DEGs。KEGG富集分析显示差异基因显著富集于糖酵解/糖异生、半胱氨酸和蛋氨酸代谢等通路，这些代谢途径主要围绕中心碳代谢( CCM )展开。

3.2 代谢组分析

在负离子模式下共鉴定出3，996种次级代谢物，PLS-DA模型显示两个番茄品种显著区分。差异代谢物主要涉及苯丙氨酸代谢、酪氨酸代谢等通路，与转录组KEGG富集结果一致。

3.3 转录组与代谢组整合分析

九象限分析显示两组学数据显著集中于CCM作为中间通路，可溶性糖代谢和氨基酸生物合成作为分支。典型相关分析( CCA )鉴定出7个DAMs和6个DEGs对组学数据影响最大。

3.4 可溶性糖和CCM相关DEGs和DAMs为PA合成提供碳骨架

研究发现SH中ADP-Glc焦磷酸化酶( AGPase )和淀粉合成酶( SS )基因高表达，促进淀粉合成。同时，蔗糖通过蔗糖合成酶( SUS )或转化酶( INV )催化分解为更多葡萄糖和果糖。

3.5 精氨酸、脯氨酸和PA合成相关DEGs和DAMs整合分析

SH中谷氨酸( Glu )积累更多，为γ-氨基丁酸( GABA )、精氨酸( Arg )和脯氨酸( Pro )合成提供碳骨架。关键基因P5CS、ODC1、SPDS和SPMS在SH中高表达，表明SH可能依赖鸟氨酸( Orn )途径产生腐胺( Put )、亚精胺( Spd )和精胺( Spm )。

3.6 RT-qPCR验证12个基因表达模式

通过RT-qPCR验证了12个候选基因的表达模式，发现ODC在SH中3h和6h表达显著增加，分别比0h高4.24和11.7倍，表明其可能是低温响应的关键调控因子。

3.7 ShODC1生物信息学和时空表达模式分析

进化树分析显示ShODC1与其他茄科植物ODC聚为一支，与栽培番茄和辣椒的相似性超过88%。亚细胞定位显示ShODC1-GFP融合蛋白定位于细胞核和细胞膜。

3.8 瞬时沉默ShODC1降低番茄耐冷性

VIGS沉默ShODC1后，植株在低温胁迫下表现出叶片卷曲下垂、电解质泄漏率( ELR )增加、活性氧( ROS )积累加剧。同时，光合参数( Pn、Tr、Ci和Gs )显著降低，下游基因ShSPDS和ShSPMS表达及Put积累减少。

研究结论与讨论部分指出，多胺生物合成途径是影响SH抗性的关键通路。ODC1作为PA合成途径的关键酶，其沉默不仅降低了氧化应激反应、光合能力和离子泄漏率，导致气孔关闭缓慢，还减少了ShSPDS和ShSPMS表达及Put积累，从而降低番茄的耐冷性。该研究首次揭示了ODC1在植物低温响应中的关键作用，阐明了多胺代谢途径调控番茄耐冷性的分子机制，为番茄抗逆遗传改良提供了重要理论依据和基因资源。

这项研究的创新性在于：1) 首次通过整合多组学分析系统解析了野生番茄SH中多胺代谢途径对低温胁迫的响应机制；2) 明确了ODC1在PA合成和低温响应中的核心地位；3) 揭示了PA代谢途径与可溶性糖、氨基酸代谢的协同调控网络。这些发现不仅丰富了植物抗逆生理的理论体系，也为作物抗寒育种提供了新思路。未来研究可进一步探索ODC1的转录调控机制及其在不同作物中的保守性功能，为农业生产的可持续发展提供科技支撑。