《Plant Science》：Combining Transcriptomics and Genome-Wide Identification to Characterize the
SlACS Gene Family and uncover the Drought Tolerance Role of
SlACS29 in Tomato
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番茄SlACS29基因通过调控乙烯合成和活性氧稳态增强抗旱性，病毒侵染基因沉默SlACS29导致植株抗旱能力下降，为番茄抗旱遗传改良提供新靶点。
顾婷婷|高瑞华|王月通|王美良|孙青青|李胜思|胡宗晨|王傲雪|邱有文
东北农业大学生命科学学院，哈尔滨，150030，中国
摘要
番茄对干旱胁迫非常敏感，提高其耐旱性是维持高产目标的关键。在本研究中，从番茄基因组中鉴定出了45个SlACS（1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶）基因，并选择其中一个基因SlACS29进行干旱响应的功能分析。生物信息学特征分析（基因结构、保守基序和启动子顺式元件）和表达谱分析（转录组数据重新分析和定量实时PCR (qRT-PCR)）显示，许多SlACS基因会对非生物胁迫作出反应，其中SlACS29在干旱条件下表现出特别强的诱导作用。研究发现SlACS29蛋白定位于叶绿体中。通过病毒诱导的基因沉默 (VIGS) 实验，我们证明了沉默SlACS29会降低番茄的耐旱性：沉默后的植株在干旱条件下更快萎蔫，叶片含水量显著降低，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性下降，丙二醛积累增加，活性氧 (ROS) 水平升高，叶绿体损伤加重。沉默SlACS29还改变了乙烯生物合成基因（如ACC氧化酶）的表达。这些发现表明SlACS29通过调节乙烯生成和ROS平衡来增强番茄的耐旱性，为提高番茄的抗逆性提供了潜在的遗传靶点。
引言
番茄（Solanum lycopersicum）在全球范围内广泛种植。由于其高营养价值、广泛的适应性和巨大的产量潜力，在全球农业生产和贸易中占据重要地位（Wang等人，2024年）。番茄经常受到各种非生物和生物胁迫的影响，这些胁迫显著影响其生长、发育和结实率。因此，育种者的主要挑战之一是从番茄基因组中鉴定并利用优异的抗逆基因，以在保持高产潜力的同时提高耐逆性。例如，盐碱胁迫通过气孔和非气孔限制影响光合作用，从而减少碳水化合物的产生，最终抑制植物的生长和发育（Pilon等人，2018年；Sarabi等人，2019年）。干旱胁迫由于土壤水分减少而限制根部吸水，导致叶片萎蔫、生长受阻，在严重情况下甚至会导致植物死亡。低温胁迫会破坏番茄的氧化代谢，增加ROS的积累，损害生物膜和光合作用系统。这些影响会阻碍生长，降低结实率，增加果实畸形，并影响果实颜色，从而显著降低产量和质量（Li等人，2021年；Tang等人，2022年；Wu等人，2023年）。
乙烯（C?H?）具有简单的分子结构，由两个碳原子和四个氢原子组成。然而，其在植物中的生物合成受到特定酶的严格调控（Fu等人，2001年）。作为主要的内源激素，乙烯作为信号分子调节多种发育阶段和胁迫响应，包括花发育（Trusov等人，2006年；Frankowski等人，2008年）、果实成熟（Tatsuki等人，2006年；Fenn等人，2020年）以及根系结构——如主根伸长、侧根形成和整体根形态（Numata等人，2022年；Schneider等人，2018年；Parankusam等人，2012年）。乙烯由S-腺苷甲硫氨酸（SAM）通过1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）合成酶（ACS）和ACC氧化酶（ACO）的催化作用合成（Klee等人，2011年）。因此，编码ACS和ACO的基因的转录水平对于调控乙烯生物合成至关重要。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，编码乙烯生物合成限速酶的ACS基因的表达受到多种生物和非生物胁迫的调控，从而改变植物体内的乙烯水平（Liang等人，1992年；Arteca等人，1995年）。这些变化还与抗氧化酶活性、离子泄漏率和叶绿素含量等生理参数的变化相关，有助于提高植物的耐逆性。
研究表明，ACS基因对多种生物和非生物胁迫具有响应性，包括伤口、盐胁迫、冷冻、干旱和缺氧。由于ACS基因表达受发育阶段、环境条件和激素信号的影响，该基因家族的多个成员表现出组织特异性的表达模式（Liu等人，2013年；Gamalero等人，2023年）。在拟南芥中，AtACS2与侧根发育有关；该基因的过表达显著减少了侧根的数量（Hu等人，2018年）。在Lycoris radiata的开花和叶片阶段，LrACS的表达具有组织特异性，表明在不同发育阶段对ACC和乙烯合成的需求不同。LrACS基因在整个Lycoris radiata的生命周期中起着关键作用。在棉花（Gossypium hirsutum L.）中，长期盐胁迫显著诱导GhACS1的表达（Li等人，2022年）。在水稻（Oryza sativa L.）中，水涝胁迫上调OsACS1的表达，但下调OsACS2的表达（Zarembinski等人，1997年）。缺氧诱导茎部OsACS1的表达，根部诱导OsACS3的表达（Zarembinski等人，1993年）。在拟南芥中，AtACS5对盐胁迫、高温和伤口有响应，而AtACS7受脱落酸（ABA）和盐胁迫的诱导（Wang等人，2005年）。
目前，AtACS2和AtACS6参与病原体防御反应，而AtACS6也受伤口的强烈诱导（Li等人，2012年；Arteca等人，1999年）。在玉米（Zea mays）中，ZmACS6表达的缺失在正常条件下延缓叶片衰老，从而提高耐旱性（Young等人，2005年）。此外，暴露于低温、干旱和缺氧等非生物胁迫会显著上调ACS基因的表达，从而提高植物的耐逆性。例如，水稻中的OsACS5在缺氧处理后表达显著增加（Zhou等人，2001年）。通过反义操作，将康乃馨（Dianthus 'Carnation'的ACS基因通过农杆菌引入烟草（Nicotiana tabacum L.），获得了对非生物胁迫具有显著耐受性的转基因植物。在黄瓜（Cucumis sativus L.）、甜瓜（Cucumis melo L.）、西瓜（Citrullus lanatus）和南瓜（Cucurbita moschata）中，同源基因CmACS7、CsACS2、CitACS4和CpACS27调节花发育并影响性别分化（Wi等人，2002年；Boualem等人，2009年；Manzano等人，2016年）。因此，通过调节ACS基因的表达可以有效调控植物的生长、发育和抗逆性（Lin等人，2009年）。本研究结合转录组分析、生物信息学分析、生理和生化实验以及针对SlACS29的病毒诱导基因沉默（VIGS），阐明了SlACS基因家族在非生物胁迫条件下的生物功能，并初步探讨了介导干旱胁迫响应的分子机制。该研究表明，调控ACS基因表达的分子机制有助于培育耐逆性番茄品种，为番茄遗传改良提供了有希望的策略。同时，也为未来研究番茄中的乙烯生物合成和信号通路提供了宝贵的见解，并为进一步解析番茄耐逆性的分子机制奠定了理论基础。
植物材料和处理
Ailsa Craig（AC）番茄植株来自东北农业大学农业学院的实验基地。种子先用5%次氯酸钠浸泡15分钟进行消毒，然后用75%乙醇冲洗一次，再用无菌水冲洗三次。消毒后的种子放在湿润的滤纸上进行预发芽处理，随后移植到含有3:1土壤和蛭石混合物的盆中。所有实验植株均在受控条件下生长
低温处理下Solanum lycopersicum中乙烯途径的转录组分析和基因表达分析
在AC中，如图1A-B、3、5所示，野生型（WT）和1小时低温处理之间有3,516个基因共享，而WT和12小时处理之间有3,463个基因共享。此外，还有3,382个基因同时存在于1小时处理和12小时处理的样本中。为了阐明差异表达基因（DEGs）的生物学功能，进行了KEGG富集分析。该分析从功能上对DEGs进行了分类
讨论
番茄是全球最重要的蔬菜作物之一（Guo等人，2019年）。然而，其对非生物胁迫的抵抗力相对较弱（Alenazi等人，2020年）。例如，在寒冷的冬季条件下，结实率下降，植物生长受到不利影响。在这些因素中，盐碱土壤、干旱胁迫和激素失衡对番茄的发育影响尤为显著。番茄进化出了多样的生理和生化机制
结论
在本研究中，我们利用转录组测序和KEGG通路富集分析系统地鉴定并表征了番茄ACS基因家族，这些基因是乙烯生物合成中的关键限速酶。生物信息学分析显示SlACS启动子富含与非生物胁迫和激素响应相关的顺式元件，qRT-PCR验证进一步证实了这一点，表明多个SlACS基因，特别是SlACS29，在干旱条件下表现出显著的表达变化
未引用参考文献
(Arteca和Arteca, 1999; DeLong和Booker, 2015; Fenn和Giovannoni, 2020; Frankowski等人, 2008; Fu和Li, 2001; Guo等人, 2020; Jagram和Dasgupta, 2023; Jozefczuk等人, 2010; Klee和Giovannoni, 2011; Liu, 2013; Livak和Schmittgen, 2002; Mahajan和Tuteja, 2005; Tang等人, 2022; Trusov和Botella, 2006; Wang等人, 2021; Wi和Park, 2002; Young等人, 2005; Zang等人, 2020; Zarembinski和Theologis, 1993;)
CRediT作者贡献声明
邱有文：资金获取。
顾婷婷：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析。
高瑞华：验证、监督、数据分析。
王月通：验证、监督。
王美良：撰写——审阅与编辑、监督。
孙青青：验证、监督。
李胜思：验证、监督。
胡宗晨：验证、监督。
王傲雪：资源获取、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（U22A20495和32072588）和黑龙江省自然科学基金（LH2021C032和PL2025C007）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有利益冲突。
