首页 > 分享 > 福建农林大学吴双团队解析低温胁迫诱导番茄果实畸形的机制

福建农林大学吴双团队解析低温胁迫诱导番茄果实畸形的机制

花匠小妙招
2025-09-15 15:16

近日，New Phytologist 在线了福建农林大学吴双团队题为“Cold stress induces malformed tomato fruits by breaking the feedback loops of stem cell regulation in floral meristem”的研究论文， 该论文解析了低温胁迫诱导番茄果实畸形的机制。

番茄是全世界种植面积最广泛的蔬菜作物，其果实和衍生产品也在人们的饮食结构和医疗保健中具有重要的意义。但是，在很早的实际生产中就已经发现，番茄花发育早期遭遇低温胁迫会导致多心室畸形果的发生，这类畸形果不仅严重影响了番茄的营养品质和产量，而且完全损害了番茄的商品品质。遗憾的是，这一现象背后的分子机制却很少得到解析。本课题组借助自己擅长的细胞生物学手段，在番茄花发育的过程中解析了低温诱导畸形果发生的敏感时期是花发育后期的干细胞终止阶段，而且植物激素GA和ABA通过影响花分生组织（FM, flower meristem）中的共质体途径直接参与了畸形果的发生过程。这些研究结果不仅对FM干细胞的共质体调控提供了新的研究思路，也为番茄栽培中的抗低温措施和番茄的耐低温育种提供了新的目的基因和理论指导。

该研究首先通过表型分析确定了自然低温（图1，a）不仅可以诱导不同果位产生畸形果（图1，b and d），而且可以显著增加单株产生畸形果的风险（图1，c）。尤其是，低温胁迫持续时间与畸形果的发生频率之间呈显著的正相关关系（图1，e），而且这种表型在番茄开花前就已经稳定发生（图1，f），说明，低温诱导的畸形果是始于花发育早期的一种生理病害。

图1 低温加剧了番茄畸形果的发生

花发育早期是一个FM形态建成的过程，而多心室表型是因为花发育后期干细胞活性不能准确终止而导致的心皮数量异常增多的结果。因此，作者首先检测了瞬时低温-恢复过程中干细胞明星因子SlWUS的变化情况。qRT-PCR和 in situ的结果证实了低温可以显著抑制 SlWUS的表达，恢复阶段 SlWUS的表达却显著异常增高（图2, a-d），但是瞬时的低温胁迫并不会影响FM自身大小的变化（图2, c）。为了进一步确认这一结果，作者利用转基因材料 pSlWUS:GUS 在WT中做了进一步验证。结果证实，低温胁迫后确实激活了FM中 SlWUS的转录活性（图2, f），这也为多心室畸形果的发生提供了必要的干细胞基础。令人意外地是，经典的 SlWUS抑制子 SlCLV3和 TAG1在恢复阶段却并没有受SlWUS的反馈激活而持续上调表达，这是因为低温胁迫显著抑制了组织中心区域(OC, organizing center )的WUS蛋白向干细胞中央区（CZ, center zone）的移动（图2, g-i），这也是导致恢复阶段SlWUS不能通过反馈途径维持自身正常表达水平的直接原因。

图2 低温胁迫促进恢复阶段SlWUS基因显著扩大表达但是却限制了组织中心区域（OC, organizing center）的SlWUS蛋白向干细胞中央区（CZ, center zone）的移动

为了进一步回答瞬时低温-恢复过程中导致FM内部共质体途径变化的原因，作者借助时间梯度转录组的方法检测了低温恢复过程中callsoe代谢相关基因的变化情况和植物内源激素的变化情况。结果显示，低温不仅可以显著抑制callsoe分解基因（GH, glucan hydrolases）的表达(图3, a)，同时也抑制了赤霉素合成基因的表达和赤霉素含量的积累(图3, b-c)。相反，低温激活了ABA合成基因的表达(图3, d)和ABA含量的积累(图3, e)，这一表达趋势的变化与GA打破树木芽休眠和ABA维持树木芽休眠的机制基本一致（Singh et al., 2017-2019）。作者进一步通过激素饲喂实验证实了在草本植物番茄中，GA和ABA同样分别具有抑制和促进callose积累的功能。因此，低温通过影响番茄FM中GA和ABA含量的动态变化直接诱导了FM内部共质体途径中callose积累的动态变化，最终影响了恢复阶段WUS蛋白在FM中的空间分布，迟滞了恢复阶段SlWUS对上游抑制子SlCLV3和TAG1的反馈激活。

图3 低温恢复过程通过GA和ABA含量的变化直接影响callose在分生组织中的积累

综上所述， SlWUS- SlCLV3和 SlWUS- TAG1是番茄花发育过程中维持花发育确定性的主要方式，本研究证实了花发育后期——心皮原基起始阶段是果实对环境温度最敏感的阶段（图4）。低温不仅抑制了 SlWUS、 SlCLV3和 TAG1的表达活性，而且通过抑制GA含量的积累和促进ABA含量的积累为FM中callsoe的积累营造了有力的激素微环境，导致低温胁迫条件下整个FM中的共质体途径被完全阻塞。进入恢复阶段，随着温度逐渐恢复，干细胞活性逐渐恢复正常，尤其是SlWUS自身的表达量很快恢复到正常水平，但是，因为此时FM中的GA和ABA含量无法及时恢复到正常的水平，导致FM中callose不能及时被清除，直接限制了OC区域的SlWUS蛋白通过胞间联丝向CZ区的移动，最终导致SlCLV3和TAG1的反馈激活失败，从而造成恢复阶段SlWUS的异常增高和最终的多心室畸形果表表型。

图4 低温诱导番茄多心室畸形果发生的工作模式图

重要参考文献：

Singh RK, Svystun T, AlDahmash B, Jönsson AM, Bhalerao RP (2017) Photoperiod- and temperature- mediated control of phenology in trees–a molecular perspective. New Phytol 213: 511-524

Singh RK, Miskolczi P, Maurya JP, Bhalerao RP (2019) A tree ortholog of SHORT VEGETATIVE PHASE floral repressor mediates photoperiodic control of bud dormancy. Curr Biol 29: 128-13

Singh RK, Maurya JP, Azeez A, Miskolczi P, Tylewicz S, Stojkovic K, Delhomme N, Busov V, and Bhalerao RP (2018) A genetic network mediating the control of bud break in hybrid aspen. Nat Commun 9(1), 1-10

原文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.18699

科研服务（合作招商）

植物科学最前沿，专注于植物科学前沿进展、资讯、招聘信息的发布及方法软件共享等。投稿及招聘请后台回复“投稿”，均为无偿；商务合作请联系微信ID：zwkxqy；