《Plants》：Transcriptional Analysis Reveals Different Fertilizer Treatments Improve the Yield and Quality of Tomato Fruits by Postponing Age-Triggered Senescence
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不合理的施肥已导致不良的环境效应和食品安全问题。生物刺激素已被广泛用于改善作物的生长、产量和品质。然而，生物刺激素对植物年龄触发的衰老（age-triggered senescence）的影响——这一影响关系到作物后期的产量和品质——鲜有报道。本研究根据植物不
不合理的施肥已导致不良的环境效应和食品安全问题。生物刺激素已被广泛用于改善作物的生长、产量和品质。然而，生物刺激素对植物年龄触发的衰老（age-triggered senescence）的影响——这一影响关系到作物后期的产量和品质——鲜有报道。本研究根据植物不同生长阶段的需求调整施肥配方，并分别添加酵母提取物制剂或微生物，作为三种施肥处理应用于无土番茄栽培，以山崎配方（Yamazaki formula）作为对照。结果显示，三种施肥处理均延缓了叶片衰老，并提高了番茄的产量和品质。研究人员利用RNA-seq分析揭示了其潜在的调控机制。结果表明，三种施肥处理并未改变叶片中的基因表达水平。然而，根系与叶片之间的“MAPK信号通路—植物（MAPK signaling pathway—plant）”和“植物激素信号转导（Plant-hormone signal transduction）”过程受到显著影响，涉及生长素（auxin）、赤霉素（gibberellin）、乙烯（ethylene）、茉莉酸（jasmonic acid）、细胞分裂素（cytokinin）、油菜素内酯（brassinosteroid）和水杨酸（salicylic acid）调控通路。此外，衰老相关的转录因子（transcription factor, TF）在根与叶之间表现出显著的差异表达，包括WRKY、MYB和AP2-EREBP。研究结果证实，三种施肥配方能够提升番茄的产量和品质，并表明根与叶的衰老之间存在密切关联。
论文解读：不同施肥处理通过延缓年龄触发的衰老提升番茄产量与品质的转录组机制研究
一、研究背景与科学问题
绿色革命极大地提升了农业生产效率，这一成就主要依赖于合成农用化学品和肥料的大量使用。然而，过度且持续地施用合成农用化学品和肥料已对人类健康与食品安全造成不利影响，包括食品污染、环境负面效应及病害抗性等问题。到2050年，全球人口将达90亿，粮食需求将增长60%，在全球社会经济危机持续的背景下，生产足量且优质的蔬菜成为重要挑战。适度使用农用化学品和肥料，或利用生物刺激素，是可持续提升农业生产力和蔬菜品质的两条有效途径。
肥料施用为作物生长提供多种养分，并维持或改善土壤储备，但作物对肥料的需求受土壤类型、养分含量、生长季节长度及生长阶段等多种因素影响。许多营养制造商已针对特定植物的不同生长阶段开发了专用配方，如番茄（Solanum lycopersicum L.），这些配方不仅能提升蔬菜品质，还能减少肥料用量。微生物作为植物生物刺激素的重要类群，已被证明可通过提高养分溶解度、增强土壤共生关系等机制促进蔬菜生长、养分吸收和产量。土壤微生物在农业中发挥基础性作用，是决定全球植物生长和蔬菜生产力的重要因素。微生物与植物通过分子信号进行通讯，大多数植物—微生物互作发生在距根表面一毫米内的根际区域，这种互作决定植物的生长发育。然而，这种互惠关系在植物育种过程中被无意破坏，导致植物微生物组中关键有益成员的丢失。因此，利用有效微生物建立特定的植物微生物组是保障蔬菜安全与品质的环境友好型技术。
过去十年中，大量研究报道微生物可作为改良土壤肥力的添加剂，提高作物产量并抵御非生物胁迫。然而，这些研究大多聚焦于使用微生物后植物生理指标和土壤根际微生物组环境的变化，鲜有研究系统探索微生物作用下植物地上和地下部分分子信号的潜在变化，尤其是在延缓植物衰老方面的研究更为缺乏。
番茄富含矿物质、维生素和抗氧化剂，是全球栽培面积领先的作物。无土番茄栽培中常用液体肥料和山崎配方。已有研究表明，使用控释肥料施用系统可减少37%的养分使用，果实产量与开放式液体肥料系统相当。研究人员的初步工作也证明，在无土番茄栽培中适度降低总氮（N）、磷（P）、钾（K）可提高番茄产量和品质。此外，有研究报道微生物与石粉悬浮液结合可提高优质番茄果实的比例，有效微生物的施用可使番茄可销售产量较对照提高11.8%–30.7%。
本研究采用根据番茄不同生长阶段需求调整的施肥配方，以及在山崎配方中添加酵母提取物制剂或微生物的处理方式，考察其对番茄植株衰老延缓、产量和品质提升的作用，并通过RNA-seq分析探索其潜在调控机制。
二、研究设计与技术方法
本研究位于中国山东省济南市鲁青种苗有限公司矿区（36.65807 N, 117.000923 E）。供试番茄品种为‘辽粉185’（辽宁省农业科学院，沈阳），栽培基质为商品化‘鲁青’基质（鲁青种苗有限公司，济南）。行距110 cm，株距33 cm。番茄植株于2025年7月定植于日光温室，2026年1月收获。共设四个实验组：以无土番茄栽培山崎配方液体肥料为对照（CK）；T1处理为根据番茄不同生长阶段需求调整的施肥配方；T2和T3处理分别在CK基础上添加酵母提取物制剂（购自上海阿拉丁试剂有限公司，浓度20 g/L）和微生物（由山东宝来利来生物工程股份有限公司提供，主要菌种浓度比为：侧孢短芽孢杆菌（Brevibacillus laterosporus）：枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）：胶冻样芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）= 7:2:1）。每个处理设三个生物学重复，每个重复至少50株番茄。
主要技术方法包括：植株性状测定（地上部和根部干重、根系活力（TTC还原强度）、果实产量和品质参数（维生素C、番茄红素、可溶性固形物、可溶性蛋白含量））；RNA提取与测序（采用TaKaRa MiniBEST Plant RNA Extraction Kit提取总RNA，由深圳华大基因（BGI）在BGISEQ-500平台上完成mRNA富集、文库构建和高通量平行测序）；差异表达基因（DEG）鉴定（以Q值（校正p值）≤ 0.05且|log2（倍数变化）| ≥ 1为阈值）；qRT-PCR验证（使用SYBR Premix Ex Taq II Kit和LightCycler 96系统，以肌动蛋白基因（Solyc03g078400）为内参，采用2?ΔΔCt法计算相对表达量）。
三、研究结果
3.1 不同处理下番茄的主要农艺性状和生化分析
对照（CK）处理下叶片呈现明显黄化，而T1、T2和T3处理下叶片保持绿色。研究人员测定了地上部和地下部干重、根系活力、产量及品质参数（可溶性固形物、维生素C、可溶性蛋白和番茄红素含量）。除可溶性固形物外，其余参数均在T3处理下最高，依次为T2、T1和CK。结果表明，三种施肥处理较CK提高了番茄产量和品质，其中T3处理效果最为显著。
3.2 RNA-Seq分析与差异表达基因鉴定
研究人员对CK、T1、T2和T3处理的最上端节位叶片（L）和根系（R）进行RNA-seq分析，共测序24个样本文库。去除接头和低质量数据后，各处理clean reads范围为20.16–23.35 Mb，Q20和Q30百分比分别>97%和89%，测序数据质量高。与CK-L相比，T1、T2和T3处理下叶片中分别仅发现309、35和13个DEGs，且无共同DEGs。而与CK-R相比，T1、T2和T3处理下根系中分别发现651、389和388个DEGs，其中62个为共同DEGs（56个下调，6个上调）。在CK和三种处理下根与叶之间共有7302个基因差异表达，其中770个DEGs仅在T1-R vs. T1-L、T2-R vs. T2-L和T3-R vs. T3-L比较组中发现，包括270个在根中高表达的基因和498个在叶中高表达的基因。
3.3 DEGs的功能分类与富集分析
GO富集分析显示，四类DEGs均被归类到生物过程（GO-BP）、细胞组分（GO-CC）和分子功能（GO-MF）三类。GO-BP中最大类别为细胞或代谢过程；GO-CC中细胞解剖实体显著富集；GO-MF中结合和催化活性为最大两类。KEGG富集分析显示，6个共同上调DEGs富集于“萜类和聚酮类代谢”和“碳水化合物代谢”通路；56个共同下调DEGs富集于“植物—病原互作”、“MAPK信号通路—植物”和“磷脂酰肌醇信号系统”等信号转导通路；270个根中高表达基因和498个叶中高表达基因均显著富集于“MAPK信号通路—植物”和“植物激素信号转导”通路。这表明信号转导通路相关基因可能在三种施肥处理促进番茄产量和品质形成中发挥重要作用。
3.4 参与信号转导的DEGs
在56个共同下调DEGs中，8个基因富集于信号转导通路，其中6个富集于“MAPK信号通路—植物”，未发现“植物激素信号转导”通路基因。在270个根中高表达基因中，19个富集于信号转导通路，其中11个富集于“MAPK信号通路—植物”，6个富集于“植物激素信号转导”通路，涉及生长素、赤霉素、乙烯和茉莉酸调控通路。在498个叶中高表达基因中，35个富集于信号转导通路，其中13个富集于“MAPK信号通路—植物”，15个富集于“植物激素信号转导”通路，涉及生长素、细胞分裂素（CTK）、赤霉素、乙烯、油菜素内酯、茉莉酸和水杨酸调控通路。信号转导通路中涉及2、8和18个编码转录因子（TF）的基因，包括9个bHLH、8个WRKY、4个G2-like、2个GRAS、2个SBP、1个AP2-EREBP和1个SRS。层次聚类分析显示，根据这些TF的表达水平，四个处理可分为两类，CK、T2和T3处理间存在相似性。多数TF在叶片和根系中的表达水平存在显著差异，少数TF在三种处理间的叶片或根系中表现出显著差异表达。
3.5 RNA-Seq数据的qRT-PCR验证
研究人员选取8个表达模式不同的TF基因进行qRT-PCR验证，结果支持RNA-seq的基因表达模式。
四、讨论与结论
讨论部分总结： 以往研究报道有效微生物的土壤施用可改善作物生长、产量和品质，但其潜在分子机制尚不清楚。本研究中，CK处理下叶片黄化明显，这是植物衰老最典型的可见标志之一，而T1、T2和T3处理下叶片保持绿色，表明改良施肥配方及添加酵母提取物和微生物有利于延缓番茄植株衰老，同时番茄产量和品质得到提升。植物早衰严重影响产量和品质，因此研究人员推测延缓植物衰老可能是三种施肥处理下番茄产量和品质提高的重要原因。
植物衰老是依赖年龄的退化过程，不可避免。虽然已有研究描述了根褐变降低养分吸收速率以及单个根细胞层随时间退化的现象，但关于根系衰老过程的研究才刚刚开始。已有研究发现植物根和叶之间存在信号转导通路，这些信号转导可影响植物的生长或抗逆性。本研究通过RNA-seq分析了三种施肥处理下番茄根和叶中的基因表达水平，结果显示与CK相比，三种处理下叶片中DEGs很少，表明三种施肥处理并未直接延缓叶片衰老。研究人员推测根与叶之间可能存在信号转导，从而延缓植物衰老并提高产量和品质，尤其是“植物激素信号转导”通路。与CK相比，参与生长素、赤霉素、乙烯和茉莉酸调控通路的基因在根和叶中差异表达，且在根中表达水平较高；同时，参与生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯、油菜素内酯、茉莉酸和水杨酸调控通路的基因在叶中表达较高。研究人员发现根和叶衰老过程中的激素信号存在差异，但两者之间是否存在关联值得进一步研究。
鉴定出的DEGs还显著富集于“MAPK信号通路—植物”通路，该通路在植物抵御病原菌攻击的信号传导中发挥关键作用。连作障碍通过改变土壤微生物群落结构、积累自毒物质、削弱植物生长、加重病虫害等方式影响作物产量和品质。本研究中番茄采用基质栽培，但在植物生长后期基质中微生物的数量、多样性和丰富度可能失衡。研究人员推测添加酵母提取物制剂和微生物以及合理施肥改善或重组了地下微生物群落结构。三种处理组根系中“MAPK信号通路—植物”通路相关基因的表达水平较对照降低，表明防御系统的激活被延迟，或根系释放的年龄触发衰老信号被延迟。
此外，NAC、WRKY和AP2-EREBP等转录因子被认为是叶片衰老的重要调控因子。本研究中，三种施肥处理较CK显著下调了WRKY、MYB、MADS、zf-HD、C2H2和AP2-EREBP型转录因子。此外，在信号转导过程中发现了多个bHLH、WRKY、G2-like、GRAS、SBP、AP2-EREBP和SRS型转录因子，其中多数在三种处理下叶片和根系中表现出相同的表达模式。这些转录因子在延缓植物衰老中的功能值得进一步探索。
研究结论： 本研究通过RNA-seq分析探讨了三种施肥处理提高番茄产量和品质的潜在调控机制。三种施肥处理并未改变叶片中的基因表达水平，但根与叶之间的信号转导过程受到显著影响。与地上部器官不同，根系衰老过程中发生的形态学事件并不典型，且关于根系年龄相关衰老的研究很少。根据研究结果，根与叶衰老之间的关联比此前认为的更为密切。研究结果为调控根和叶衰老提供了新的见解。
