应用4-CPA或乙醇增强phyA突变体在热胁迫下的植株生长与果实品质

为解决番茄phyA突变体在热胁迫下生殖阶段耐热性不足的问题，研究人员开展了外源施用4-CPA（4-氯苯氧乙酸）或乙醇对植株生长和果实品质影响的研究。结果表明，两种处理均能显著增强热胁迫下的植株生长、促进开花坐果、改善果实品质，并上调热休克因子（HSFs）、热休克蛋白（HSPs）及抗氧化酶基因表达。该研究为通过化学调控提高作物耐热性提供了新策略。

　　

随着全球气候变暖加剧，高温胁迫已成为限制农作物产量和品质的主要环境因素之一。番茄作为世界范围内广泛种植的重要经济作物，其对高温尤为敏感，特别是在生殖生长阶段，高温会导致花粉不育、坐果率下降、果实发育异常等问题，造成严重经济损失。植物光敏色素（Phytochromes）作为关键的光受体，不仅参与光信号感知和生长发育调控，还被发现在应激响应中扮演重要角色。此前研究发现，番茄phytochrome A（phyA）突变体在营养生长阶段表现出增强的耐热性，但其生殖阶段的耐热机制却存在缺陷，导致果实发育不良和产量下降。这一局限性促使科学家们寻找能够弥补phyA突变体生殖期耐热性不足的有效方法。

在此背景下，研究人员探索了两种化学物质——4-氯苯氧乙酸（4-CPA，一种合成生长素类似物）和乙醇（一种公认的环境友好型化合物）在调控植物耐热性方面的潜力。已有研究表明，4-CPA可促进番茄在低温条件下的坐果，而乙醇能提高多种作物对干旱、盐胁迫和高温的耐受性。然而，这两种化学物质能否协同phyA突变体增强其在生殖阶段的热耐受性，尚未有系统研究。为此，本研究旨在探究外源施用4-CPA或乙醇对phyA突变番茄在高温条件下植株生长、果实发育及分子响应的影响，以期为作物抗逆栽培提供新的理论依据和技术途径。该研究成果正式发表在《Scientific Reports》上。

本研究主要采用了以下几项关键技术方法：以番茄phyA突变体为材料，在控温培养室（37°C）和夏季温室（昼夜温度约50/30°C）两种热胁迫条件下进行培养；通过定期叶面喷施20 ppm 4-CPA或20 mM乙醇进行化学处理；对植株形态指标（株高、茎粗、开花坐果数）和果实品质参数（单果重、果径、可溶性固形物、维生素C、番茄红素和β-胡萝卜素含量）进行测定；利用生理指标（电解质泄漏率、丙二醛和脯氨酸含量）评估细胞膜稳定性和氧化损伤程度；采用显微镜观察气孔特征和花粉育性；通过定量逆转录PCR（qRT-PCR）技术分析热休克因子（HSFs）、热休克蛋白（HSPs）、抗氧化酶基因及激素通路相关基因的表达模式。

增强热耐受性通过施用4-CPA和乙醇

在37°C恒定高温和温室波动高温条件下，4-CPA和乙醇处理均显著改善了phyA突变体的生长表型。与未处理组相比，处理组植株更高、茎更粗，开花时间提前，花朵发育加快。4-CPA处理显著增加了每簇花数和坐果率，而乙醇处理也表现出促进趋势，但效果未达统计显著性。果实形态方面，4-CPA处理显著提高了果实重量、长度和直径，乙醇处理亦有改善但差异不显著。

4-CPA和乙醇处理后的果实品质

果实品质分析显示，4-CPA和乙醇处理均显著提高了果实可溶性固形物（Brix值）和维生素C含量。值得注意的是，4-CPA处理导致果实颜色变为橙色，进一步分析发现其抑制了番茄红素积累而显著增加了β-胡萝卜素含量，这与LYCB基因表达上调一致。乙醇处理在另一个栽培种Sicilian Rouge中也验证了Brix值的提升。

热胁迫下化学处理的生理响应

在高温条件下，4-CPA和乙醇处理显著降低了叶片电解质泄漏率（EL）和丙二醛（MDA）积累，表明细胞膜稳定性增强和脂质过氧化受损减轻。同时，两种处理均诱导了脯氨酸的显著积累，有助于维持细胞渗透平衡和清除自由基。

热胁迫下4-CPA和乙醇处理对气孔特征的变化

高温下，4-CPA和乙醇处理增加了气孔数量、气孔孔口长度、直径和面积，这可能通过增强蒸腾冷却效应来缓解热胁迫。基因表达分析显示，4-CPA上调了MUTE和FAMA基因（气孔发育正调控因子），而乙醇下调了SDD1（气孔密度负调控因子），从而促进气孔发育。

4-CPA和乙醇处理增强果期热胁迫下HSFs、HSPs及多个激素相关基因的表达

在温室热胁迫条件下，4-CPA和乙醇处理上调了多个热休克转录因子（HSFA1a、HSFA1b、HSFA2、HSFB1）和热休克蛋白（HSP70、HSP90）基因的表达。抗氧化酶基因中，APX2、CAT1、CAT2和SOD在4-CPA处理下表达显著增强，而乙醇主要诱导APX2。此外，两种处理均上调了花器官发育关键基因TM6。

生长素和赤霉素信号通路的激活

4-CPA和乙醇处理显著提高了生长素生物合成基因（TAR2a、TAR2b）和信号转录因子（ARF5、ARF7）的表达水平。在赤霉素通路中，4-CPA上调了GA3OX2，乙醇上调了GA20OX1，而GA钝化酶基因（GA2OX1、GA2OX5）表达下降，GID1受体基因表达增加，表明GA生物合成和信号转导被激活。

果实品质相关基因的表达模式

与果实大小相关的FW2.2和FAS基因在化学处理下表达下调，这与果实增大现象一致。番茄红素合成基因PSY1和CRTISO表达无显著变化，但β-胡萝卜素合成关键酶基因LYCB在4-CPA处理下显著上调。糖代谢相关基因SUS和维生素C合成基因GLDH的表达均被诱导，解释了Brix值和维生素C含量的提高。

本研究通过外源施用4-CPA或乙醇，成功增强了phyA突变番茄在生殖阶段的热耐受性。两种化学处理通过多重机制发挥作用：在生理水平上，提高了细胞膜稳定性、减少氧化损伤、积累渗透调节物质脯氨酸；在形态水平上，促进气孔发育和花粉管生长，改善坐果和果实发育；在分子水平上，上调热休克转录因子和热休克蛋白基因表达，增强抗氧化防御系统，并激活生长素和赤霉素生物合成与信号通路。这些变化共同导致植株在高温条件下保持较好的生长状态，并生产出品质更优的果实（更高的糖度、维生素C和β-胡萝卜素含量）。

该研究的重要意义在于：首先，它揭示了一种通过化学调控弥补遗传突变体特定生长阶段缺陷的有效策略，为作物抗逆育种和栽培提供了新思路；其次，4-CPA和乙醇作为环境友好型化合物，具有成本低、使用方便、潜在应用范围广的优点；再者，研究从生理、形态和分子多个层面阐明了化学处理增强耐热性的机制，为作物抗逆研究提供了丰富的数据支持；最后，该成果不仅适用于番茄，其揭示的激素通路和热应激响应机制也可能为其他作物抗高温栽培提供借鉴。