解析 TSP4 基因位点反馈回路，解锁番茄耐热高产新密码

高温威胁全球作物产量，番茄尤甚。研究人员聚焦番茄热胁迫下的坐果问题，发现 TSP4 位点的 TSP4a 和 TSP4b 基因形成正反馈回路调控单性结实。该成果为培育耐热番茄品种提供理论依据，对保障番茄产量意义重大。

　　在全球气候变暖的大背景下，极端高温天气频繁出现，这对农作物的生长和产量造成了严重的威胁。番茄作为全球广泛种植且经济价值极高的蔬菜作物，其果实产量极易受到高温的影响。在高温环境下，番茄的花粉活力和雌蕊育性会受到严重损害，进而导致坐果率大幅下降，这使得番茄的产量难以稳定维持，给种植户带来了巨大的经济损失。同时，传统的番茄育种方式在应对气候变化时面临诸多瓶颈，难以快速培育出适应高温环境的品种。因此，寻找能够让番茄在高温下保持良好坐果能力的遗传资源，并深入探究其内在机制，成为了科研人员亟待解决的重要课题。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所等机构的研究人员积极开展相关研究，旨在攻克这一难题。他们发现了一个由 THERMOSENSITIVE PARTHENOCARPY 4a（TSP4a）和 TSP4b 两个基因组成的模块，这两个基因编码的转录调节因子 IAA9 和 AINTEGUMENTA（ANT）在热胁迫下形成正反馈回路，能够有效调控番茄的热敏单性结实（单性结实指植物不经受精，子房直接发育成果实的现象 ），从而为提高番茄在高温环境下的产量提供了新的途径。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为番茄的遗传改良和耐热品种培育提供了重要的理论支持和技术指导。

研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。在基因定位方面，通过构建杂交群体并结合群体分离分析与全基因组测序（BSA-seq）技术，精准定位到 TSP4 基因位点。为了验证基因功能，利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术对相关基因进行敲除突变体的构建。此外，借助转录组测序（RNA-seq）技术，深入分析基因表达差异，揭示基因在热胁迫和生长素响应过程中的调控机制。

TSP4 赋予热敏单性结实

研究人员为筛选高温下坐果良好的番茄品种，评估了 102 份番茄材料在不同温度下的坐果情况。发现 XHS072 在高温下坐果率高且多为无籽果实，而 Moneymaker 坐果率显著下降。通过构建 F₂群体及 BSA-seq 分析，定位到 TSP4 位点。近等基因系（NILs）实验表明，TSP4 能赋予番茄热敏单性结实特性。进一步研究发现，热胁迫下未授粉的 NIL-TSP4^XHS072子房提前膨大，导致柱头远离雄蕊，减少自花授粉，促进无籽果实发育，且热胁迫下子房生长素含量升高，但这一变化不受 TSP4 影响。

TSP4a 和 TSP4b 分别编码 SlIAA9 和 SlANT 转录调节因子

研究人员经高分辨率连锁分析，确定 TSP4 位点包含 TSP4a 和 TSP4b 两个基因，分别编码 SlIAA9 和 SlANT。原位杂交显示，TSP4a 在子房广泛表达，TSP4b 主要在胚珠和胎座积累。对比 Moneymaker 和 XHS072 基因组，发现基因序列存在差异，且热胁迫下 NIL-TSP4^XHS072中这两个基因表达量降低。通过 CRISPR-Cas9 敲除实验验证，TSP4a 和 TSP4b 在调控番茄单性结实中起关键作用，XHS072 是弱等位基因，其基因功能未完全丧失。

自然 TSP4a 和 TSP4b 等位基因提高高温下番茄产量

研究人员通过遗传杂交获得不同 TSP4a 和 TSP4b 单倍型组合的系列等位基因，发现部分组合在热胁迫下能产生无籽果实，显著增加果实数量和产量，且不影响果实鲜重和糖分含量。而敲除突变体虽果实数量增加，但因果实变小、出现多效性表型，导致产量提升不明显，表明自然等位基因在提高产量的同时，可避免敲除突变带来的负面效应。

TSP4a 和 TSP4b 构成正反馈调节回路调控表达

研究人员比较不同单倍型组合在热胁迫下的基因表达水平，发现 TSP4a 和 TSP4b 表达下调与单性结实表型相关，且二者形成正反馈调节回路。热胁迫和生长素处理能诱导基因表达，但在敲除突变体中，这种诱导作用显著减弱，说明 TSP4a 和 TSP4b 相互作用，共同响应热胁迫和生长素信号，调节彼此表达。

SlARF2a-TSP4a 和 TSP4b 直接激活 TSP4b 和 TSP4a 转录

研究人员分析基因启动子和 UTR 序列，发现 TSP4b 能结合到 TSP4a 启动子激活其转录，SlARF2a 能与 TSP4a 相互作用并结合到 TSP4b 的 3’ UTR 区域。但 TSP4a 与 SlARF2a 结合后，会阻碍 SlARF2a 对 TSP4b 转录的抑制作用，从而调控 TSP4b 的表达，揭示了基因间相互调控的分子机制。

TSP4a 和 TSP4b 直接调节下游生长素响应基因

研究人员对不同 NILs 的 - 2 DPA 子房进行转录组分析，发现热胁迫下许多基因表达发生变化，其中 “温度刺激” 和 “生长素响应” 等相关基因显著富集。在生长素响应途径中，EXPANSIN 5（EXP5）和 ACC OXIDASE 4（ACO4）基因受 TSP4a 和 TSP4b 共同调控。ChIP-qPCR 和双荧光素酶报告实验表明，TSP4b 能直接结合到 EXP5 和 ACO4 启动子区域，调控其表达，进而参与热胁迫下的生长素信号传导。

TSP4a 和 TSP4b 影响生长素信号

研究人员比较不同材料中 EXP5 和 ACO4 的表达，发现 TSP4a 和 TSP4b 表达水平影响植株对生长素的响应。在根形成和下胚轴伸长实验中，tsp4acr 突变体对生长素更为敏感，表明 TSP4a-SlARF2a 和 TSP4b 在热胁迫下通过正调控回路抑制生长素信号，调控果实发育和植株生长。

靶向调控 TSP4a 和 TSP4b 剂量可提高温室热胁迫下产量

研究人员将 XHS072 与 XHS369 杂交并回交筛选，获得的 NIL-XHS369^XHS072在热胁迫下无籽果实比例高且产量提升。同时，对 TSP4a 启动子和 TSP4b 3’ UTR 进行基因编辑，得到的部分编辑株系在热胁迫下也能产生无籽果实，且对果实重量、糖分含量和叶片形态无明显影响，产量得到提高，证明了靶向调控 TSP4a 和 TSP4b 对提高番茄耐热性和产量的重要作用。

在讨论部分，研究人员指出，单性结实是应对逆境提高作物产量的有效途径，但此前已克隆的番茄单性结实相关基因存在限制其应用的问题。XHS072 的 TSP4^XHS072基因型在不同环境下表现出的特性，为番茄育种提供了新的遗传资源。研究还发现 SlARF2a 在 TSP4a-SlARF2a-TSP4b 反馈回路中的作用挑战了传统认知，表明 ARF 蛋白功能具有可塑性。此外，乙烯也参与番茄坐果调控，单性结实是多激素相互作用的复杂过程。

该研究揭示了 TSP4a 和 TSP4b 通过反馈回路调控番茄热胁迫下单性结实和生长素信号的机制，为番茄耐热育种提供了理论基础和技术支持。基因编辑获得的非转基因材料为培育适应气候变化的番茄品种开辟了新方向，有望助力农业生产应对全球变暖的挑战，保障番茄的稳定供应和产业可持续发展。