组成型表达全长或部分SOC1基因对番茄产量提升的分子机制与表型效应研究

本研究通过组成型表达玉米ZmSOC1、大豆GmSOC1和蓝莓VcSOC1K（含K结构域）基因，系统揭示了外源SOC1基因对番茄产量性状的调控机制。研究发现VcSOC1K和ZmSOC1能促进早花，而三个基因均通过增强分枝显著提高单株果实数量（增幅52-169%）。转录组分析表明GmSOC1通过抑制DWARF基因表达促进分枝，同时上调CLF和EZA1维持正常开花时间。该研究为利用MADS-box基因改良番茄产量提供了新策略。

　　

开花途径基因的分子调控与番茄产量提升

1 引言
MADS-box基因家族作为真核生物中保守的转录因子，在植物发育过程中发挥核心作用。其中SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1（SOC1）作为开花途径的关键整合因子，具有调控作物产量的潜在价值。番茄作为重要经济作物，其产量受多基因网络调控，而通过遗传工程手段操纵SOC1基因表达可能成为突破产量瓶颈的新途径。

2 材料与方法
研究团队构建了含玉米ZmSOC1、大豆GmSOC1和蓝莓VcSOC1K基因的植物表达载体，通过农杆菌介导法转化番茄栽培种'Ailsa Craig'。采用系统发育分析比较了番茄内源SOC1-like蛋白（SlTM3、SlSTM3等）与异源SOC1的进化关系。通过表型观察记录开花时间、分枝数、果实数量等农艺性状，并结合RNA测序技术解析转录组变化。

3 结果
3.1 番茄SOC1-like蛋白的系统发育分析
系统发育树显示GmSOC1和ZmSOC1与番茄SlMBP18聚为一支，而VcSOC1K则与SlTM3、SlSTM3等亲缘关系更近。这种进化关系差异可能解释了后续表型效应的多样性。

3.2 T₀代转基因植株表型变化
表型分析揭示：VcSOC1K和ZmSOC1能显著促进早花（p<0.01），而GmSOC1无此效应。值得注意的是，三个基因均能显著增加单株果实数量，其中ZmSOC1效果最显著（增幅81-169%），主要通过增强分枝实现。果实大小在GmSOC1株系中有所增加，而VcSOC1K株系则呈现减小趋势。

3.3 T₁代表型验证
在T₁代中，仅ZmSOC1_CX17株系保持早花特性。三个基因对果实数量的正效应得到稳定遗传，其中GmSOC1株系果实产量增加60-112%，且未出现果实变小现象，显示其在育种应用中的优势。

3.4 GmSOC1_CX植株转录组分析
转录组数据揭示关键调控机制：

• 内源SOC1-like基因SlTM3和SlSTM3表达受抑制
• 组蛋白甲基转移酶基因CLF和EZA1显著上调，可能通过表观遗传调控维持正常开花时间
• 四个DWARF基因（DWF1/5/6/7）表达受抑制，导致油菜素内酯（BRs）合成减少，促进分枝
• 细胞分裂素降解基因CKX7上调，赤霉素合成基因KAO2下调
• 逆境响应相关基因（热激蛋白、GST23等）表达发生变化

4 讨论
4.1 开花时间的复杂调控
研究表明SOC1基因对开花时间的调控具有物种特异性。在番茄中，VcSOC1K和ZmSOC1表现出促开花效应，而GmSOC1则通过激活CLF/EZA1维持开花时间稳定，这种差异可能与它们和番茄内源SOC1-like基因的进化距离有关。

4.2 株型建成的多基因调控
转录组数据揭示了BRs、细胞分裂素和赤霉素通路基因的协同变化，特别是DWARF基因的抑制可能是分枝增加的主要原因。这种"减高增枝"的株型改良策略为番茄高产育种提供了新思路。

4.3 产量提升的分子基础
不同于传统认为SOC1主要通过调控开花时间影响产量，本研究发现其能通过重塑激素网络显著增加结果数。GmSOC1在保持果实大小同时提高产量的特性，使其成为最具应用潜力的候选基因。

该研究首次系统比较了不同来源SOC1基因在番茄中的功能分化，为作物分子设计育种提供了重要理论依据。特别是发现部分SOC1基因（VcSOC1K）即可发挥显著效应，为基因工程提供了更灵活的分子模块。未来研究可进一步解析SOC1蛋白不同结构域的功能，优化基因组合策略，推动番茄产量遗传改良。