解密UV-C诱导番茄转录组重塑：防御机制、应激响应与光受体调控的协同作用

本研究针对番茄生产中真菌病害导致严重减产及化学杀菌剂使用受限的问题，开展了UV-C辐射诱导番茄防御机制与转录组响应的深入研究。通过RNA-seq分析发现UV-C处理显著激活了苯丙烷生物合成、植物-病原互作等通路，并上调钙信号传导基因与光受体基因表达。离体叶片实验证实UV-C预处理增强了对灰霉菌和核盘菌的抗性，防御酶（几丁质酶、苯丙氨酸解氨酶等）活性显著提升。该研究为利用UV-C辐射作为绿色防控手段提供了重要分子依据，对提高作物抗逆性和可持续农业生产具有积极意义。

　　

在现代农业面临的多重挑战中，番茄作为全球重要的经济作物，其生产常受到真菌病原体的严重威胁。灰霉菌（Botrytis cinerea）和核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）等病原体可导致超过50%的产量损失，而传统化学杀菌剂的使用又受到环境安全、农药残留和病原体抗药性发展的限制。因此，开发环境友好型的作物保护策略已成为迫切需求。紫外线-C（UV-C）辐射作为一种物理处理手段，因其具有杀菌效果和激发植物自身防御能力的潜力而受到关注。既往研究表明，适当剂量的UV-C辐射不仅能抑制病原菌生长，还能促进植物次生代谢产物的积累，改善果实品质。然而，UV-C辐射如何调控植物的转录组重编程以及光受体如何介导这一过程，仍缺乏系统深入的研究。

为了解析UV-C诱导的分子机制，研究人员以两个UV-C敏感性不同的番茄品种（敏感品种Red Rock和耐受品种Super Star）为材料，采用优化的UV-C hormetic剂量（Red Rock: 930 J/m²；Super Star: 1395 J/m²）进行处理，并通过RNA测序、RT-qPCR、离体叶片接种试验和防御酶活性测定等多种技术手段开展了综合分析。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1）使用定制UV-C植物处理装置对两个番茄品种进行分次辐射处理；2）通过RNA-seq技术分析UV-C处理后的转录组变化，并利用GO和KEGG富集分析筛选差异表达基因；3）采用RT-qPCR对17个关键基因进行表达验证；4）通过离体叶片接种灰霉菌和核盘菌评估抗病性；5）测定几丁质酶（Chi）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、β-1,3-葡聚糖酶（GLU）和多酚氧化酶（PPO）的活性变化。

RNA-seq读段质量与比对分析

RNA-seq产生了高质量数据，各样本Q30得分均高于96%，与番茄参考基因组的比对率达到93.36-96.06%。主成分分析显示UV-C处理组与对照组明显分离，表明处理引起了显著的转录组变化。

k均值聚类分析揭示UV-C处理的独特基因表达模式

对2000个高变异基因进行聚类分析，发现8个基因簇具有不同的表达模式。其中簇4（防御响应相关基因）包含493个基因，在UV-C处理后表达显著上调。簇3（光形态建成和非生物应激响应）和簇6（细胞壁和苯丙烷生物合成）也在两个品种中均被激活。

DESeq2分析显示Red Rock比Super Star对UV-C响应更强烈

敏感品种Red Rock中共鉴定到3540个差异表达基因（DEGs），其中2340个上调；而耐受品种Super Star中仅有2678个DEGs，1715个上调。Venn图分析显示两个品种共有1074个上调基因和340个下调基因，表明存在共同的UV-C响应机制。

DEGs功能注释显示防御和应激响应通路富集

GO分析表明，两个品种的DEGs均显著富集于防御响应（GO:0006952）、应激响应（GO:0006950）等生物学过程。细胞组分中，细胞外周和质膜相关基因显著富集；分子功能中，DNA结合转录因子活性（GO:0003700）最为显著。

KEGG和PGSEA分析揭示关键代谢通路激活

KEGG分析显示苯丙烷生物合成（sly00940）和植物-病原互作（sly04626）通路在两个品种中均显著富集。PGSEA分析进一步证实了这些通路的激活，同时还发现了脂肪酸降解、角质/木栓质/蜡质生物合成等通路的富集。

植物-病原互作通路中的DEGs

共鉴定到81个与植物-病原互作通路相关的DEGs，其中56个上调。这些基因主要涉及钙结合与信号传导、环核苷酸信号传导和乙烯信号传导等过程。EF-hand结构域蛋白（Solyc02g094000.1）和环核苷酸门控离子通道1（Solyc05g050350.2）表达变化最为显著。

光受体基因在UV-C处理番茄中的调控

研究发现14个光受体基因对UV-C处理有响应。在Red Rock中，UV抗性位点8（UVR8）表达上调最显著（log₂FC=2.57），其次是光敏色素B2（PHYB2）和向光素1（PHOT1）。在Super Star中，隐花色素3（CRY3）和UVR8表达上调最为明显。

植物-病原互作通路和光受体的DEGs验证

通过RT-qPCR对17个DEGs进行验证，结果显示与RNA-seq数据高度一致（r=0.92-0.96）。Solyc02g094000.1（EF-hand蛋白）在两个品种中均表现出最高表达变化（Red Rock: log₂FC=6.46；Super Star: log₂FC=4.97）。

离体叶片试验显示UV-C处理增强病原菌抗性

UV-C预处理显著降低了番茄叶片接种灰霉菌和核盘菌后的病斑直径。与未处理对照相比，Red Rock对灰霉菌和核盘菌的抗性分别提高1.48倍和1.83倍；Super Star则分别提高1.14倍和1.33倍。

防御酶活性显著提高

UV-C处理并接种病原菌的叶片中，几丁质酶（Chi）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、β-1,3-葡聚糖酶（GLU）和多酚氧化酶（PPO）活性显著高于仅接种病原菌的对照。其中，接种灰霉菌的叶片中酶活性提升更为明显。

讨论与结论

本研究系统揭示了UV-C辐射如何通过转录组重编程激活番茄的防御机制。研究发现，UV-C处理显著激活了植物防御和应激响应相关的基因和通路，特别是苯丙烷生物合成、植物-病原互作和钙信号传导通路。两个番茄品种对UV-C的响应存在显著差异：敏感品种Red Rock表现出更广泛的转录组重编程，而耐受品种Super Star则显示出更精确的调控机制，特别是光受体和转录因子方面的响应。

研究首次报道了UV-C对番茄光受体基因表达的调控作用，发现UVR8和隐花色素家族成员在UV-C感知中起关键作用。离体叶片试验和防御酶活性分析从功能层面验证了UV-C预处理能够增强番茄对真菌病原体的系统抗性。

这些发现不仅深化了对UV-C诱导植物防御机制的理解，也为将UV-C辐射作为一种环境友好的作物保护措施提供了理论依据。通过优化UV-C处理方案，有望减少化学杀菌剂的使用，提高作物的抗逆性和产品质量，对可持续农业发展具有重要意义。未来的研究应进一步探索光受体与激素信号网络的交叉对话，以及UV-C诱导的表观遗传修饰在植物抗性中的作用。