线粒体交替氧化酶（AOX）调控番茄果实成熟：呼吸作用与乙烯及类胡萝卜素合成的能量桥梁

为阐明番茄果实成熟过程中呼吸途径的协同调控机制，研究人员聚焦线粒体交替氧化酶（AOX）功能，通过18O同位素示踪与CRISPR/Cas9基因编辑技术发现AOX1a是呼吸跃变期主要贡献者，其缺失导致乙烯合成前体（天冬氨酸/甲硫氨酸）积累异常及成熟延迟，揭示了AOX通过能量代谢耦合乙烯信号通路调控果实成熟的新机制。

　　

果实成熟是一个高度耗能的生理过程，其中呼吸作用为色素合成、细胞壁降解和风味物质积累提供能量和代谢前体。番茄作为呼吸跃变型果实的模式植物，其成熟过程伴随乙烯爆发和类胡萝卜素大量积累。尽管呼吸作用对果实成熟的贡献已被广泛认知，但不同呼吸途径（尤其是线粒体交替氧化酶AOX途径）在体内如何动态调控能量代谢与成熟进程的耦合机制仍不明确。

为解析这一问题，Iglesias-Sanchez等人在《Plant Physiology》发表的研究中，综合运用生理测量、基因编辑和代谢组学技术，揭示了AOX在番茄果实成熟中的核心作用。研究主要采用以下关键技术：1）使用氧电极结合¹⁸O同位素分馏技术测定体内细胞色素c氧化酶（COX）和AOX活性；2）通过CRISPR/Cas9构建aox1a纯合突变体株系；3）利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析初级代谢物和类胡萝卜素含量；4）以Ailsa Craig野生型和PTOX缺陷型ghost突变体（Barret等，2004）为对照模型。

呼吸途径的阶段性贡献

通过¹⁸O同位素分馏与特异性抑制剂（KCN和SHAM）实验，研究发现呼吸跃变期（Breaker Stage, BR）的呼吸速率显著提升，其中AOX活性（v_alt）是主要贡献者，而细胞色素途径活性（v_cyt）仅持续至BR阶段。晚期成熟阶段则以质体末端氧化酶（PTOX）介导的色质体呼吸（chromorespiration）为主。

AOX1a基因的功能验证

定量分析显示AOX1a表达量随成熟进程持续上升，而AOX1b无显著变化。通过CRISPR/Cas9构建的aox1a突变体虽能正常结实，但果实重量、大小和数量均低于野生型，且从绿熟期（MG）到BR期的转换时间显著延长，表明AOX1a缺失导致成熟启动延迟。

呼吸缺陷与代谢紊乱的关联

突变体中呼吸跃变强度降低，乙烯响应基因表达延迟，代谢组学分析显示天冬氨酸（Asp）和甲硫氨酸（Met）——乙烯合成直接前体——积累异常，同时类胡萝卜素合成受阻。这证实AOX通过维持碳代谢流为乙烯和色素合成提供前体。

本研究首次在体内水平证实了番茄果实成熟过程中呼吸途径的时序性分工：COX主导早期成熟，AOX驱动呼吸跃变期代谢爆发，PTOX维持晚期能量稳态。AOX1a通过调控天冬氨酸-甲硫氨酸代谢轴耦合乙烯合成与能量供给，为改良果实采后品质和抗逆性提供了新靶点。该工作深化了对植物能量代谢网络可塑性的认知，也为园艺作物精准育种提供了理论依据。