在番茄根系生长过程中，BRassinosteroids（油菜素内酯）生物合成或分解相关基因的突变会扰乱活性氧（ROS）与生长素（auxin）的稳态

《Scientia Horticulturae》：Mutation in brassinosteroids biosynthesis or catabolism gene disrupts reactive oxygen species and auxin homeostasis during root growth in tomato

本研究通过CRISPR/Cas9技术敲除番茄中 brassinosteroids（BRs）代谢基因CYP734A8和合成基因DWF，发现CYP734A8缺失导致BRs积累，抑制根尖分生区（MZ）细胞增殖并缩短成熟区（DZ）细胞长度，而DWF缺失则因BRs水平降低影响细胞伸长。RNA-seq和生化分析表明，两者均通过破坏ROS和 auxin平衡导致根短粗。SHAM抑制过氧化酶活性可部分恢复CYP734A8突变体根长，而H2O2处理则通过调控auxin信号恢复其生长。

　　
该研究系统探讨了番茄根发育中 brassinosteroids（BRs）代谢基因 CYP734A8 和 DWF 的功能及其与ROS和 auxin 的交互作用。研究通过构建 CRISPR/Cas9 介导的突变体，结合表型分析、转录组测序和化学调控实验，揭示了 BRs 代谢平衡对根器官分化和细胞程序调控的关键作用。

在基因功能解析方面，CYP734A8 是 BRs 的分解酶，其失活导致 BRs 水平异常升高。突变体表现为根尖分生区（MZ）细胞增殖受阻，成熟区（DZ）细胞伸长受限，总根长缩短达40%-60%。而 DWF 是 BRs 合成关键酶，其失活造成 BRs 水平显著下降，导致根尖分生区（MZ）细胞数量减少，但 DZ 细胞伸长未受明显影响。值得注意的是，DWF 突变体在 BRZ 处理下仍能维持一定根生长，说明 BRs 合成与分解的动态平衡对根发育至关重要。

分子机制研究揭示了 BRs 代谢失衡引发的氧化应激与 auxin 信号异常的级联效应。CYP734A8 突变体中检测到 H2O2 水平显著升高（尤其在 MZ 区域），而抗氧化酶活性（SOD、PER、GST）同步增强。这种氧化状态异常导致 auxin 运输蛋白（如 ARF1、ARF3）表达上调，同时细胞周期调控基因（CDKB1、CycB1.2）在 MZ 区域异常激活，表现为 EdU 标记的增殖区扩大。相反，DWF 突变体存在普遍性 ROS 积累，尤其是 MZ 区域活性氧水平升高，抑制了 PER 基因（如 PER1.2、PER72）的表达，导致细胞周期停滞（CycA2 下调）和增殖区缩小。

化学干预实验进一步验证了 BRs-ROS-auxin 的调控网络。在 CYP734A8 突变体中，添加抗氧化剂 SHAM 可恢复 MZ 大小和 DZ 细胞伸长，同时抑制 auxin 信号基因（如 DR5::GUS）表达。这与 H2O2 水平降低及 PER 活性恢复相关。而 DWF 突变体在 SHAM 处理下，MZ 区域细胞增殖活性恢复，与 PER 基因（如 PER27）的上调有关。值得注意的是，BRZ 处理对两个突变体产生相反效应：在 CYP734A8 中抑制 BRs 信号可恢复细胞伸长，而在 DWF 中则通过抑制 BRs 合成间接保护 auxin 信号通路。

转录组分析揭示了两个突变体共有的 596 个差异表达基因，其中 78% 与氧化应激和抗氧化防御相关（GO 富集分析）。值得注意的是，CYP734A8 突变体在 auxin 合成基因（FZY1、FZY4）表达下调的同时，响应基因（如 ARF1、IAA7）显著上调，形成"高 BRs-高 auxin-抑制细胞伸长"的负反馈环路。而 DWF 突变体表现出 auxin 合成基因（FZY6）异常激活，同时运输相关基因（ARF9A）下调，导致 auxin 梯度破坏。

该研究首次阐明 BRs 代谢双基因（CYP734A8/DWF）通过精细调控氧化应激和 auxin 信号的时空表达模式，维持根尖分生区稳定性与伸长区细胞伸长功能的平衡。具体机制包括：1）BRs 合成与分解的动态平衡维持氧化酶活性阈值；2）ROS 水平通过调控 auxin 运输蛋白（如 ARF1）的表达影响细胞壁松弛过程；3）CYP734A8 通过抑制 BRs 水平防止 QC 细胞过度增殖，而 DWF 缺陷则通过维持 BRs 水平稳定 auxin 信号。

该发现对园艺作物根系的精准调控具有重要启示。例如，在番茄育苗过程中，通过调控 BRs 代谢酶活性可改善幼苗根系发育。研究提出的"BRs-ROS-auxin"三轴调控模型，为理解植物激素互作提供了新框架。后续研究可进一步结合单细胞测序和空间转录组技术，解析不同根区细胞亚群中 BRs、ROS 和 auxin 的时空特异性调控网络。

在实验设计上，采用 CRISPR/Cas9 生成突变体与 RNA-seq 结合的策略具有创新性。特别是通过 qPCR 验证了关键信号分子的表达动态（如 BZR1 在 CYP734A8 中的积累），以及化学抑制剂（SHAM、BRZ）和ROS供体（H2O2）的精准调控效果。研究还创新性地引入 EdU 标记结合显微成像技术，实现了细胞增殖活性的空间分辨率分析。

该成果对作物栽培实践具有重要指导意义。例如，在设施农业中，通过喷施 BRs 激酶抑制剂（如 BRZ）可缓解高 BRs 水平导致的徒长现象；而添加抗氧化剂（如 SHAM）可有效改善 BRs 代谢缺陷导致的根弱问题。此外，研究发现的 auxin-ROS 反馈调节机制，为解析植物抗逆性（如盐胁迫下根系的适应性生长）提供了新视角。未来研究可拓展至其他茄科作物，验证该调控网络的保守性，并探索基因编辑技术的田间应用潜力。