番茄PGAM1基因突变通过糖代谢重编程增强冷胁迫耐受性的机制研究

为解决番茄低温胁迫导致的产量损失问题，研究人员通过EMS诱变获得冷耐受突变体‘cr-1’，结合生理生化、多组学分析和GWAS定位，发现PGAM1基因（LOC101266024）的5个SNP突变通过抑制糖酵解途径促进可溶性糖积累，进而激活抗氧化系统及次级代谢通路（如氧化磷酸化、玉米素合成），首次揭示PGAM1介导的糖代谢重编程是番茄耐冷性的关键机制，为抗寒育种提供新靶点。

　　

番茄作为全球重要的经济作物，其生产常因低温胁迫遭受严重损失。尤其在冬季平均温度低于-15°C的中国北方地区，低温会导致番茄根系发育受阻、开花坐果异常，甚至绝收。尽管已有研究报道WV（硫氧还蛋白）和NDW（类受体激酶）等基因参与低温响应，但传统育种难以突破番茄狭窄的遗传背景限制，且转基因作物面临法规限制。因此，通过化学诱变创制非转基因突变体成为解决这一问题的关键突破口。

中国某研究机构团队在《Scientia Horticulturae》发表的研究中，利用0.6%乙基甲烷磺酸盐（EMS）诱变野生型番茄‘Moneymaker（MM）’，获得具有稳定耐冷性状的‘cr-1’突变体。该突变体在4°C胁迫下表现出叶片轻度卷曲、H₂O₂和O₂^-含量降低、SOD/POD/CAT抗氧化酶活性升高等特征。通过整合代谢组与转录组分析，发现突变体中氨基酸衍生物积累及氧化磷酸化、玉米素生物合成等通路激活。

研究采用四大关键技术：

1. 基于3000个EMS诱变M₂群体的表型筛选
2. 利用933株F₂群体进行BSA-GWAS定位（检出Chr04 63-64 Mb区间）
3. LC-MS非靶向代谢组学（鉴定699-1617种差异代谢物）
4. RNA-seq转录组分析（发现452-1821个DEGs）

研究结果：
3.1 突变体耐冷表型特征
‘cr-1’在12小时冷胁迫后叶片存活率显著高于WT，伴随MDA含量降低28%、SOD活性提高2.1倍，表明其通过增强抗氧化防御系统缓解膜脂过氧化损伤。

3.2 代谢重编程特征
冷胁迫12小时时，‘cr-1’中(1E)-1,7-双(4-羟基-3-甲氧基苯基)庚-1-烯-3,5-二酮等氨基酸衍生物显著下调，而糖代谢相关通路富集度达4.7倍，提示碳流向改变。

3.3 转录调控网络
H⁺-ATPase A2（Solyc06g063330.3）等基因与氧化磷酸化通路强相关（相关系数>0.9），qPCR验证其表达量在突变体中较WT高3.5倍。

3.5 显性遗传规律
F₂群体中耐冷/敏感植株比例符合3:1（χ²=0.005），证实单基因显性遗传模式。

3.6 关键基因鉴定
GWAS定位到PGAM1（LOC101266024）第6/8外显子的5个SNP，该基因编码磷酸甘油酸变位酶（Phosphoglycerate mutase），系统发育分析显示与茄科作物同源性达92%。突变体中PGAM1表达量降低41%，但可溶性糖含量提高2.3倍，证实糖酵解阻断导致的碳分流效应。

讨论与意义：
该研究首次揭示PGAM1突变通过“糖酵解抑制-糖积累-渗透调节”的级联反应增强番茄耐冷性。不同于拟南芥PGAM-L1（At3g08590）的葡萄糖代谢调控功能，番茄PGAM1（LOC101266024）的SNP突变导致独特的代谢流重编程，这为理解作物非生物胁迫响应提供了新视角。由于‘cr-1’突变体不涉及外源基因插入，可直接用于传统育种，对解决中国北方番茄产业面临的低温胁迫问题具有重要应用价值。未来需通过基因编辑验证PGAM1功能，并探索其与线粒体电子传递链（如细胞色素c氧化酶）的互作机制。