野生番茄Solanum pennellii光合优势的生理与解剖基础解析及其在栽培番茄改良中的应用潜力

本研究针对气候变化下番茄产量提升的迫切需求，通过比较栽培番茄Solanum lycopersicum（LEA）与野生抗旱品种S. pennellii（Lost）的光合性能差异，发现Lost具有更高的Vcmax、Jmax和Rubisco活性等特征。研究采用气体交换、叶绿素荧光和嫁接技术，证实Lost的光合优势源于叶片结构优化与电子传递效率提升，并通过嫁接成功将性状转移至栽培品种。该成果为番茄抗逆育种提供了新思路。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，粮食安全面临严峻挑战。番茄作为全球重要的经济作物，年产量超过1.8亿吨，但其生产正受到温度波动、水资源短缺等环境胁迫的威胁。有趣的是，野生番茄近缘种在长期自然选择中形成了独特的环境适应机制，这为作物改良提供了宝贵的遗传资源。其中，来自南美干旱地区的Solanum pennellii（Lost）以其卓越的抗旱性著称，但其高光合效率的生理基础尚未阐明。本研究通过系统比较栽培番茄LEA与Lost的生理特征，揭示了野生种在光合性能上的显著优势及其潜在应用价值。

研究团队采用多学科交叉方法开展实验：通过植物表型监测系统动态追踪生长参数；利用LI-COR-6800和Dual-KLAS-NIR光谱仪同步测定气体交换与叶绿素荧光参数；采用硅胶印模法量化气孔特征；结合显微解剖和生化分析（包括Rubisco活性测定）；并创新性地通过嫁接实验验证性状转移可行性。所有实验均在标准温室条件下进行，使用LA5240和LEA两个基因型各6个生物学重复。

光合性能比较显示，Lost的CO₂同化速率（A）在饱和光强下达到50 μmol m^-2 s^-1，显著高于LEA的20 μmol m^-2 s^-1（图2）。这种差异源于Lost更高的最大羧化速率（V_cmax，p<0.01）和电子传递能力（J_max，p<0.001），与其Rubisco含量增加5倍、总可溶性蛋白含量提升3倍的生化特征相符（附图S5）。叶绿素荧光分析表明，Lost在PSII实际量子效率（ΦPSII）和PSI量子产额（Y_I）上的优势主要来自光化学淬灭（F_q'/F_v'）的维持能力（图3），且其铁氧还蛋白（Fd）氧化状态更稳定（附图S1），说明其 Calvin循环（碳同化途径）具有更强的电子"汇"能力。

叶片结构分析揭示了关键的适应性特征：Lost具有更厚的叶片（0.32 mm vs 0.23 mm）和更高的单位叶面积质量（LMA，49 vs 34 mg mm^-2），其栅栏组织细胞排列更紧密（附图S4）。独特的是，Lost的气孔密度（SD）在叶片两面均匀分布（约130个/mm²），而LEA呈现典型的背面优势（180 vs 60个/mm²）（图5）。分面气体交换测定发现，尽管Lost的背面气孔导度（g_s）较低，但其背面光合速率却异常高（13 vs 7 μmol m^-2 s^-1），暗示其可能存在优化的叶肉导度（图6）。

嫁接实验取得了突破性发现：将LEA接穗嫁接到Lost砧木上（LEA/Lost），其最大光合速率（A_max）提升至22 μmol m^-2 s^-1，显著高于自嫁接对照（图8）。这种改良伴随着接穗气孔分布模式的改变——LEA/Lost的背面SD降低，两面差异减小（图7），表明砧木可通过系统性信号调控接穗发育。

该研究首次系统阐明了Lost高光合效率的多层次机制：在生化层面通过增加Rubisco投资和优化电子传递链；在解剖层面构建更高效的CO₂扩散路径；在整体器官水平实现气孔分布与叶结构的协同适应。特别值得注意的是，通过传统嫁接技术即可实现性状转移，这为番茄品种改良提供了无需基因改造的实用方案。这些发现不仅深化了对植物干旱适应的认识，更重要的是为应对气候变化下的作物稳产需求提供了新策略——利用野生近缘种中保存的"遗失"性状，重建栽培品种的环境适应力。研究结果发表在《Journal of Experimental Botany》期刊，为作物生理学研究与育种实践搭建了重要桥梁。