番茄器官特异性基因调控网络揭示果实成熟和ABA响应的新型转录调控因子

本研究针对番茄(Solanum lycopersicum)基因调控网络(GRN)研究不足的问题，通过整合10,000多个RNA-seq文库构建了器官特异性GRN，发现了SIGBF3等新型调控因子，并通过DAP-seq验证了网络预测准确性。该研究为解析番茄转录调控机制提供了重要资源，对作物改良具有重要应用价值。

　　

番茄作为全球重要经济作物和肉质果实研究的模式植物，其基因调控网络(GRN)研究仍存在重大空白。尽管番茄的果实发育和成熟机制已被广泛研究，但系统性地解析不同器官中转录因子(TF)与靶基因的调控关系仍面临挑战。现有研究多局限于特定条件或器官，缺乏全基因组水平的器官特异性GRN构建，且多数基于基因共表达网络(GCN)，无法揭示定向调控关系。此外，番茄基因组注释和转录因子数据库亟待更新，这严重制约了对重要农艺性状调控机制的深入理解。

为解决这些问题，由José D.Fernandez领衔的国际研究团队在《Plant Communications》发表了重要研究成果。研究人员首先整合更新了番茄基因组注释(ITAG4.2-merged)，鉴定出1,840个转录因子。随后收集分析了10,605个RNA-seq样本，涵盖根、叶、花、果实和种子五大器官。利用GENIE3算法构建器官特异性GRN，并通过整合染色质可及性数据(ATAC-seq/DNase-seq)、转录因子结合位点预测和共表达网络等多组学数据进行验证。特别采用DNA亲和纯化测序(DAP-seq)对预测的关键转录因子SIGBF3进行实验验证。

研究首先更新了番茄基因注释系统，整合ITAG4.0和ITAG4.2版本，获得37,467个基因模型，其中24,356个获得功能注释。转录组分析发现71.82%基因在至少一个器官中表达，而87.7%的转录因子具有器官表达特征。通过GENIE3算法构建的器官特异性GRN在AUROC和AUPR评估中表现优异，显著优于现有数据库预测结果。特别值得注意的是，虽然大多数基因和转录因子在多个器官中表达，但75%的TF-靶基因调控关系具有器官特异性，揭示了器官特异的转录调控模式。

在果实特异性GRN分析中，研究成功捕获了已知成熟调控因子SIRIN和TAGL1的靶基因网络，与ChIP-seq数据验证的靶基因重叠率分别达45%和89%。网络分析发现两个新型调控因子SIARF2A和SIERF.E2在果实成熟中可能发挥关键作用。SIARF2A被预测调控多个成熟相关基因，包括乙烯信号通路关键组分SIACS4、SIETR3等，与过表达植株的转录组数据高度一致。

在ABA信号响应方面，研究揭示了不同器官中ABF转录因子的功能分化。叶片GRN显示SIABF2、SIABF3和SIABF5是干旱响应的核心调控因子，分别调控369、75和319个干旱响应基因。特别重要的是，研究发现G-box结合因子SIGBF3是ABA信号通路的新型调控枢纽。DAP-seq实验证实SIGBF3结合在"AYGTGGCA" motif上，其预测靶基因中42-58%得到实验验证。在叶片网络中，SIGBF3调控多个ABA信号核心组分，包括蛋白磷酸酶PP2C家族成员和SnRK2激酶，且这些靶基因在干旱条件下显著上调。

为促进研究成果的应用，研究团队开发了TomViz-GRNs网络平台，提供交互式GRN查询和可视化功能。该平台整合了五大器官的GRN数据，支持靶基因预测、功能富集分析和子网络构建等功能，为番茄功能基因组研究提供了重要工具。

这项研究通过多组学整合分析，构建了迄今最全面的番茄器官特异性GRN，不仅验证了已知调控网络，还发现了SIGBF3等新型调控因子。研究成果为解析番茄重要农艺性状的分子机制提供了系统框架，特别是为果实品质改良和抗逆育种提供了新靶点。DAP-seq验证的GRN预测准确性表明该方法可推广至其他作物研究。器官特异性调控网络的解析为理解植物发育和环境适应的转录调控多样性提供了新视角，对作物分子设计育种具有重要指导意义。