热应激和病毒感染会在耐热番茄植株和敏感番茄植株中引发特定且不同的基因反应

《Journal of Plant Interactions》：Heat stress and viral infection elicit a specific and differential gene response in thermo-tolerant and thermo-susceptible tomato plants

番茄高温耐受与病毒互作的转录组学研究

　　### 植物对非生物和生物因素的响应机制及其对番茄作物的影响

植物在面对环境压力时，其反应机制不仅受到内部基因表达调控的影响，还受到外部环境条件的显著作用。随着全球气候变化的加剧，极端温度、干旱、盐碱化以及温室气体等非生物因素正对植物的生长发育和农业产量构成严重威胁。与此同时，生物因素如病毒和病原体感染也在不断改变植物的健康状态。这些因素的综合作用可能加剧植物的生理压力，甚至导致其生长受限，从而影响全球粮食安全。因此，研究植物如何在这些多重压力下进行响应，对于理解其分子机制、预测作物在环境变化下的适应性，并开发抗逆作物品种具有重要意义。

本研究聚焦于番茄（*Solanum lycopersicum* L.）这一重要的经济作物，探讨其在不同温度条件和PepMV（Pepino Mosaic Virus）感染下的反应机制。番茄是全球第二大种植的蔬菜作物，尽管其具有较广的气候适应性，但对高温的敏感性使其在气候变化背景下面临重大挑战。高温不仅会影响番茄的生长和产量，还可能改变其对病毒的易感性。例如，我们的研究发现，在不同温度条件下，番茄植株对PepMV的积累表现出显著差异。具体而言，PepMV在热敏感型番茄植株中的积累程度明显高于热耐受型植株，这提示我们温度变化可能对病毒在植物体内的复制和传播产生重要影响。

### 温度变化与病毒累积的相互作用

温度是影响植物病毒累积的关键因素之一。本研究通过设置三种不同的温度条件（低：20/14°C；中：26/20°C；高：32/26°C）并结合PepMV感染，分析了番茄植株的反应。我们发现，PepMV的累积程度在不同温度下存在显著差异，且这种差异与番茄植株的热耐受性密切相关。在热敏感型植株中，随着温度的升高，病毒的累积呈现出上升趋势，而热耐受型植株则表现出相反的模式，即在较高温度下病毒累积减少。这一现象表明，番茄植株的热耐受性可能在一定程度上影响其对PepMV的抵抗能力。

在不同温度条件下，番茄植株对PepMV的反应存在显著的基因表达变化。我们通过3’mRNA-seq技术对番茄植株的基因表达进行了全面分析，并发现有64%和45%的差异表达基因（DEGs）分别与非生物和生物压力相关。这些基因可能在番茄对高温和PepMV感染的响应中发挥关键作用。此外，我们还识别出五种和十六种基因，这些基因在热敏感型和热耐受型番茄植株中在高和低温条件下表现出一致的表达模式，可能在植物对这两种压力的协同响应中起重要作用。

### 基因表达的差异与功能注释

为了更深入地理解这些基因在植物响应中的功能，我们进行了基因功能注释和GO（Gene Ontology）富集分析。这些分析揭示了在番茄植株中，某些基因在高温或低温下表现出显著的上调或下调。例如，在热耐受型番茄中，一些与细胞内钙离子信号、蛋白质折叠和类胡萝卜素代谢相关的基因被显著上调，而另一些基因则在高温下被抑制，可能与细胞内氧化应激和光合作用有关。而在热敏感型番茄中，一些与乙烯代谢、膜脂质组成和水分运输相关的基因表现出更强的响应。

这些基因的功能分类表明，番茄植株在面对高温和PepMV感染时，会激活一系列与压力响应相关的生物过程和分子功能。例如，钙离子信号在低温下被显著增强，这可能与植物对冷胁迫的反应有关；而在高温下，某些与抗氧化和光合作用相关的基因则被显著下调，这可能与高温对植物生理代谢的抑制作用有关。此外，我们还发现了一些与植物防御机制相关的基因，如某些蛋白激酶和谷胱甘肽转移酶，它们在高温下表现出更高的表达水平，可能在增强植物对病毒的抵抗中起关键作用。

### 基因表达模式与植物耐受性的关系

进一步分析显示，热耐受型和热敏感型番茄植株在面对PepMV感染时表现出不同的基因表达模式。在热耐受型植株中，一些与植物抗病毒能力相关的基因被显著上调，而另一些基因则在高温下被抑制，这可能与植物在高温环境下的代谢调整有关。而在热敏感型植株中，PepMV感染导致了更多的基因被上调或下调，表明其对病毒的反应更为复杂。例如，某些基因在低温和高温下均被显著下调，而另一些基因则在低温下被抑制而在高温下被激活，这提示我们番茄植株的基因表达模式可能在不同温度和病毒压力下发生动态变化。

此外，我们还发现了一些基因在不同温度和病毒感染条件下表现出一致的表达模式，这可能意味着它们在植物应对多重压力时起着核心作用。例如，在热耐受型番茄中，某些与细胞内钙离子信号和蛋白质折叠相关的基因在高温和低温下均被显著上调，这可能表明它们在植物的耐受机制中具有普遍的重要性。而在热敏感型番茄中，一些与乙烯代谢和膜脂质组成的基因在不同温度下均被显著上调，这可能与该植株对温度变化的适应性有关。

### 基因调控网络与信号通路

为了更全面地理解这些基因在番茄植株中的作用，我们构建了基因调控网络，并对关键的信号通路进行了分析。结果表明，番茄植株在面对高温和PepMV感染时，会激活多个与抗逆性相关的信号通路。例如，在热耐受型番茄中，与植物-病原体相互作用、抗氧化机制和光合作用相关的通路被显著富集，这可能意味着这些通路在增强植物抗逆性方面具有重要作用。而在热敏感型番茄中，一些与乙烯代谢、水分运输和膜脂质组成相关的通路被显著激活，这可能与该植株对病毒和温度的综合反应有关。

这些信号通路的激活可能通过多种机制影响番茄的生长和抗病毒能力。例如，某些基因可能通过调控细胞内的抗氧化系统，减少病毒引起的氧化损伤；而另一些基因可能通过影响细胞膜的组成，改变病毒的侵入和复制过程。此外，我们还发现了一些与植物防御反应相关的基因，如某些蛋白激酶和谷胱甘肽转移酶，它们在高温下表现出更高的表达水平，可能在增强植物对病毒的抵抗中起关键作用。

### 未来研究方向与实际应用

本研究的发现为理解植物在多重压力下的反应机制提供了重要的理论基础。然而，仍然有许多问题需要进一步研究。例如，某些基因在高温和低温下的表达模式是否具有普遍性？它们是否在不同植物种类中也表现出相似的反应？此外，这些基因如何具体影响植物的抗逆性？是否可以通过基因编辑技术增强这些基因的表达，从而提高番茄对高温和PepMV感染的抵抗能力？

未来的研究可以围绕这些关键基因展开，通过功能验证和基因编辑技术，探索其在植物抗逆性中的具体作用。同时，也可以结合其他环境压力，如干旱和盐碱化，研究它们对植物基因表达的影响，以及这些压力如何与病毒感染相互作用。此外，还可以通过比较不同番茄品种的基因表达模式，寻找具有更高抗逆性的基因组标记，为育种提供理论支持。

本研究的结果也为农业实践提供了新的思路。例如，在番茄种植过程中，可以通过调控温度条件来减少病毒的累积，从而提高作物的产量和质量。此外，还可以通过筛选具有特定基因表达模式的番茄品种，提高其对高温和病毒的综合抵抗能力。这些策略可能有助于缓解气候变化对农业生产的不利影响，提高全球粮食安全。

### 结论

综上所述，本研究揭示了番茄植株在面对高温和PepMV感染时的复杂反应机制。我们发现，热敏感型番茄在高温下更容易积累PepMV，而热耐受型番茄则表现出较低的病毒累积。这种差异可能与植物对不同压力的基因表达调控有关。此外，我们还识别出一些在不同温度和病毒感染条件下表现出一致表达模式的基因，这些基因可能在植物的抗逆机制中起关键作用。

这些发现不仅有助于理解植物-病原体-环境相互作用的复杂性，还为开发更耐逆的番茄品种提供了新的方向。通过进一步研究这些基因的功能和调控机制，我们有望找到有效的策略，以提高番茄在高温和病毒压力下的适应能力，从而保障全球农业生产的稳定性和可持续性。