生长素介导番茄果实发育与品质权衡中替代剪接的作用机制研究

本研究针对合成生长素类似物对氯苯氧乙酸(pCPA)调控番茄果实坐果与发育的分子机制尚不明确的问题，通过整合表型组学、代谢组学、转录组学和替代剪接分析技术，系统揭示了pCPA通过调控激素信号传导、碳水化合物代谢和苯丙烷类生物合成途径，在提高果实产量和均匀成熟度的同时降低风味品质的分子机制。研究发现了836个差异积累代谢物和35,501个差异表达基因，首次证实pCPA通过诱导替代剪接事件调控果实发育进程，为优化园艺育种策略提供了重要理论依据。

　　

番茄作为全球最重要的经济蔬菜作物之一，其栽培过程常面临各种生物和非生物胁迫的挑战。在商业化种植中，植物生长调节剂的使用成为保障产量的重要手段，其中对氯苯氧乙酸(pCPA)作为一种合成生长素类似物，被广泛应用于促进番茄坐果和提高产量。然而，这种化学干预在提高产量的同时，是否会影响果实的品质特性？其背后的分子机制又如何？这些问题一直困扰着研究人员和种植者。

发表在《BMC Plant Biology》的这项研究为我们揭开了这个谜团。研究人员通过综合运用表型分析、生化测定、代谢组学和转录组学技术，深入探究了pCPA处理对番茄果实坐果、发育和品质形成的多维度影响。研究发现，pCPA处理不仅改变了果实的形态特征，更在分子层面引发了广泛的代谢重编程和基因表达调控，其中替代剪接机制的参与尤为令人关注。

研究采用了Micro-Tom番茄品种(TOMJPF00001)为材料，在严格控制的环境条件下进行栽培实验。通过40 ppm浓度的pCPA处理花序，研究人员系统收集了未成熟绿果期(IMG)、成熟绿果期(MG)、转色期(BR)和红熟期(RR)四个发育阶段的样品进行多组学分析。关键技术方法包括：超高效液相色谱-质谱联用(UHPLC-MS/MS)非靶向代谢组学分析、Illumina Nova-seq 6000平台转录组测序、rMATS软件替代剪接分析、实时荧光定量PCR验证，以及组织切片显微观察。

pCPA处理引起番茄果实发育的显著变化

研究发现pCPA处理显著降低了花朵脱落率，提高了坐果率和产量，同时影响了果实形态、成熟过程、糖含量、感官特性和植物激素谱。处理后的果实表现出更同步的成熟模式，果实更加均匀地由绿转黄再变红，而对照组果实则表现出较宽的成熟度分布。形态上，pCPA处理果实呈现更 elongated 的形状，赤道直径减小，纵向直径略有增加，单果种子数减少，果实硬度显著提高。

pCPA改变有机酸、糖类和消费者偏好

生化分析显示pCPA处理显著改变了果实的生化特征。苹果酸含量在各发育阶段均显著降低，而柠檬酸在未成熟绿果期和红熟期增加。果糖和葡萄糖浓度持续下降，蔗糖在处理后持续减少。总可溶性固形物(TSS)和糖度(Brix)也显著降低，降幅达70%。感官评价由90位专家组成的评审团进行盲测，发现pCPA处理果实风味强度较低，整体偏好度不如对照果实。

pCPA抑制番茄果实发育中的细胞分裂和扩张

组织学分析揭示了pCPA在细胞水平上的显著结构变化。处理果实在各发育阶段均表现出细胞数量和细胞大小的减少。果皮细胞层数减少，特别是在成熟绿果期、转色期和红熟期。细胞大小在各发育阶段均小于对照，未成熟绿果期的细胞长度显著减少。这种细胞分裂和扩张的抑制与细胞周期相关基因(如Solyc06g075690、Solyc03g082520和Solyc08g082630)的下调和替代剪接相关。

不同发育阶段pCPA处理果实的代谢组和转录组分析

代谢组学分析通过UPLC-MS/MS鉴定出836个差异积累代谢物(DAMs)，涵盖有机酸、脂质、苯丙烷类和有机杂环化合物等类别。转录组分析产生了68.17 Gb clean reads，识别出35,501个差异表达基因(DEGs)，包括34,761个已知基因和740个新基因。主成分分析显示处理组和对照组样品明显分离，前两个主成分分别解释了代谢组67.98%和转录组89.02%的变异。

pCPA影响番茄果实发育中的糖类、有机酸、氨基酸和苯丙烷生物合成

代谢组学分析强调了pCPA处理对糖类、有机酸和氨基酸生物合成相关代谢物的显著改变。在糖代谢途径中，β-淀粉酶(Soly08g007130.3)和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶小亚基(Soly07g056140.3)在对照红熟期果实中积累显著，而β-葡萄糖苷酶(Soly11g071640.2)在对照成熟绿果期含量更高。几丁质酶(Soly04g072000.3)和酸性内切几丁质酶(Soly05g050130.3)在pCPA处理果实中积累减少，可能通过细胞壁稳定化增强果实硬度。

苯丙烷生物合成途径的KEGG富集分析显示显著调控，特别是在类黄酮生物合成中。35个苯丙烷相关DAMs中，异阿魏酸、6-甲基香豆素、柚皮素、5-O-葡萄糖基橙皮素、槲皮素和二氢卡瓦因等关键代谢物在未成熟绿果期、成熟绿果期和转色期上调，但在红熟期下调。总共鉴定出141个与类黄酮生物合成途径相关的DAMs，其中80个上调，61个下调。

pCPA影响番茄果实发育中的植物激素谱

pCPA处理导致与番茄坐果、生长、成熟和品质相关的关键植物激素浓度发生显著变化。在未成熟绿果期，pCPA显著提高脱落酸(ABA)水平，增加879 ng/mL。赤霉素(GA)相关代谢物增加60%，可能有助于增强果实硬度。红熟期吲哚-3-羧酸(ICA)含量增加11倍，表明其在成熟调控中的潜在作用。相反，吲哚-3-丁酸(IBA)在未成熟绿果期和红熟期减少，表明auxin pathways受到抑制。

乙烯排放测量进一步表明pCPA对成熟模式的影响。pCPA处理果实在校色期和红熟期的乙烯释放显著减少，特别是在1小时和3小时持续时间。较低的乙烯释放与均匀成熟响应相关，增强了成熟均匀性而不一定延迟成熟过程。

pCPA诱导的DEGs在果实发育中易发生替代剪接

转录组分析揭示了pCPA处理番茄果实中替代剪接(AS)模式的显著改变。共检测到6,393个AS事件，包括外显子跳跃(SE, n=3,281)、内含子保留(RI, n=2,983)、互斥外显子(MXE, n=131)、替代5'剪接位点(A5SS)和替代3'剪接位点(A3SS)。pCPA处理果实相比对照表现出更高的外显子跳跃和内含子保留频率，表明pCPA调节剪接机制，影响与坐果、生长和成熟过程相关的转录本表达。

值得注意的是，pCPA诱导的AS变化在成熟绿果期和转色期更为普遍，这两个阶段是果实成熟和成熟的关键时期。AS变体可能改变蛋白质功能、定位或相互作用，潜在调节与果实均匀性、硬度和成熟延迟相关的关键途径。

研究结论与意义

本研究通过多组学整合分析，系统阐明了pCPA调控番茄果实发育与品质形成的分子机制。研究发现pCPA通过影响植物激素信号网络、调控碳水化合物代谢途径、修饰苯丙烷类生物合成流程，以及诱导替代剪接事件，实现了对果实发育进程的精细调控。

在实践意义上，该研究为优化pCPA在番茄生产中的应用提供了重要理论指导。虽然pCPA处理能够提高坐果率、增加产量、促进均匀成熟和增强果实硬度，但同时也降低了糖分积累、减少了风味物质含量，影响了果实感官品质。这种产量与品质之间的权衡关系需要通过进一步研究找到平衡点。

在科学价值方面，该研究首次揭示了替代剪接在生长素介导的果实发育调控中的作用，为植物激素信号转导研究提供了新视角。发现的740个新基因和大量AS事件为番茄功能基因组研究提供了宝贵资源。MYB-bHLH-WD40复合体转录因子的调控网络分析为理解果实品质形成的转录调控机制提供了新见解。

此外，研究建立的综合分析框架和方法体系可用于其他作物生长调节剂效应研究，为园艺作物安全生产和品质改良提供通用技术平台。研究成果不仅对番茄产业发展具有直接指导意义，也为其他果实类作物的生长调节剂合理使用提供了重要参考。