《Plant-Environment Interactions》：Enhanced Endogenous GABA Biosynthesis Modifies Fruit Production and GABA Accumulation in a Medium-Sized Tomato Cultivar Under Salt Stress
编辑推荐：
虽然外源γ-氨基丁酸（GABA）增强植物胁迫耐受性，但果实对内源GABA生物合成增加的反应仍不清楚。尽管高GABA性状缓解了樱桃番茄在盐胁迫下的产量损失，但盐胁迫响应因品种而异，且这种现象是否发生在中果型番茄中仍未知。研究人员测试了内源GABA富集是否能在盐胁
虽然外源γ-氨基丁酸（GABA）增强植物胁迫耐受性，但果实对内源GABA生物合成增加的反应仍不清楚。尽管高GABA性状缓解了樱桃番茄在盐胁迫下的产量损失，但盐胁迫响应因品种而异，且这种现象是否发生在中果型番茄中仍未知。研究人员测试了内源GABA富集是否能在盐胁迫下维持产量并促进干物质和GABA积累。将中果型番茄‘Esprosso’（ER）及其基因组编辑的高GABA品系（ERHG）在对照和盐胁迫条件下种植。在盐胁迫下，ER和ERHG的果实鲜重分别下降43.4%和31.5%，而单株果实数分别增加33.3%和71.1%。由于这种补偿性增加，平均产量变化（ER为+2.6%，ERHG为+11.1%）无统计学显著性。干物质含量在ER中增加0.6个百分点（pp），在ERHG中增加1.5 pp，表现出显著的基因型×盐胁迫交互作用。盐胁迫使ER和ERHG的GABA浓度分别升高64.5%和74.4%（从141.5增至246.8 mg 100 g?1 FW），使ERHG的单果GABA含量增加22.8%。两种基因型的可溶性固形物（TSS）和抗坏血酸在盐胁迫下均增加，表明高GABA性状未降低TSS，而脯氨酸表现出基因型依赖性响应。这些结果表明，增强的内源GABA生物合成通过促进GABA和干物质积累以及改变渗透调节相关代谢而不降低TSS，从而改变果实对盐胁迫的响应，可能有助于在受控盐度下生产高价值番茄。
**论文解读：增强内源GABA生物合成调控盐胁迫下中果型番茄的果实产量与代谢响应**
**研究背景与问题**
土壤盐碱化因气候变化和集约化农业而加剧，威胁全球粮食安全。盐胁迫通过渗透胁迫和离子毒性抑制植物生长，但适度盐度可提升番茄果实品质，如可溶性固形物（TSS）和抗氧化物质含量。γ-氨基丁酸（GABA）作为一种多功能代谢物，在植物胁迫耐受中起关键作用：它作为渗透调节剂维持细胞膨压，通过消耗质子（H
+）缓冲胞质pH，并参与活性氧（ROS）清除。番茄果实中，GABA主要由谷氨酸通过胞质谷氨酸脱羧酶（GAD）合成，其中SlGAD2和SlGAD3是主要同工酶。植物GAD的C端含有自抑制域，正常条件下抑制酶活性，胁迫下该抑制解除。通过基因编辑截断SlGAD3的自抑制域可提高GAD活性及果实GABA含量。此前研究在樱桃番茄中证实，该高GABA性状可缓解盐胁迫下的产量损失，但盐胁迫响应因品种而异，且该保护效应是否适用于中果型番茄尚不清楚。因此，本研究旨在探究截断SlGAD3自抑制域能否增强中果型番茄的盐胁迫耐受性，并评估其对农业产量、干物质积累、GABA积累及代谢物的影响，为高价值番茄生产提供策略。
**研究内容与结论**
研究人员将中果型番茄‘Esprosso’（ER）及其基因组编辑高GABA品系（ERHG）在对照和盐胁迫条件下种植，系统评估了果实产量、鲜重、干物质含量、GABA积累、TSS、抗坏血酸和脯氨酸含量。主要结论如下：盐胁迫下，ERHG的果实产量降幅小于ER，且果实数量显著增加，表明高GABA性状通过促进果实数量补偿性增长来维持产量；ERHG的干物质含量增幅显著高于ER，且TSS在两种基因型中均增加，说明高GABA性状未降低糖分积累；盐胁迫显著提升两种基因型的GABA浓度，但ERHG的单果GABA总含量增幅更大，表明其主动积累GABA而非仅依赖浓缩效应；抗坏血酸在盐胁迫下增加，ERHG维持较高基线水平，而脯氨酸的积累在ERHG中相对较小，提示谷氨酸代谢流向GABA合成与脯氨酸合成之间存在竞争。该研究揭示了增强内源GABA生物合成通过促进GABA和干物质积累、改变渗透调节相关代谢而不降低TSS，从而修饰果实对盐胁迫的响应，为受控盐度下生产高价值番茄提供了新策略。论文发表在《Plant-Environment Interactions》。
**关键技术与方法**
本研究采用2×2因子设计（n=12，共48株），在筑波大学温室（2024年2月至9月）进行。样本来源：中果型番茄品种‘Esprosso’（ER，Sanatech Seed Co. Ltd.）及其基因组编辑高GABA品系（ERHG，Sanatech Life Sciences Co. Ltd.）。盐胁迫处理：通过逐步增加营养液NaCl浓度，将EC控制在6.0 dS m
?1（第二花序坐果后）并升至8.0 dS m
?1（果实膨大后），同时监测基质EC，避免超过12.0 dS m
?1。果实取样：统一采收第四花序破色后14天的红熟果，以降低成熟度差异。GABA含量采用商业酶联试剂盒测定；TSS用数字折射仪检测；干物质含量通过80℃烘干至恒重计算；抗坏血酸使用维生素C试剂盒检测；脯氨酸采用酸性茚三酮比色法测定。所有数据通过双因素方差分析（ANOVA）进行统计，显著交互作用时采用Tukey HSD检验。
**研究结果**
**3.1 盐度对果实产量和数量的影响**
盐胁迫下，ER和ERHG的单株平均产量分别增加2.6%和11.1%，但双因素ANOVA显示主效应及交互作用均不显著。然而，ERHG的盐胁迫效应量更大，提示盐胁迫可能部分激发了ERHG的产量潜力。同时，盐胁迫使ER和ERHG的果实数分别增加33.3%和71.7%（图1B），表明产量维持主要源于果实数量增加，而非单个果实大小的保留。
**3.2 果实鲜重和干物质含量**
盐胁迫下，ER和ERHG的果实鲜重分别下降43.4%和31.5%（图2A），但基因型与胁迫的交互作用不显著。干物质含量方面，ER增加0.6个百分点，ERHG增加1.5个百分点（图2B），且基因型×盐胁迫交互作用显著，表明ERHG在盐胁迫下具有更强的干物质积累响应。
**3.3 GABA积累与浓缩效应**
盐胁迫下，ER和ERHG的GABA浓度分别升高74.6%和71.8%，ERHG的净增幅度更大。单果GABA含量分析显示，ER仅有轻微增加（18.12至18.34 mg），而ERHG从24.50增至30.08 mg（图3B），说明ER的GABA浓度升高主要源于脱水浓缩，而ERHG则表现出更强的主动积累能力。
**3.4 可溶性固形物与代谢权衡**
理论上，增强GABA生物合成可能因碳分流至TCA循环而降低TSS，但盐胁迫可同时提升GABA和TSS。本研究结果显示，两种基因型的TSS在盐胁迫下均显著增加，且高GABA性状未导致TSS下降（图4），表明SlGAD3改造不引起果实甜度损失。
**3.5 脯氨酸与抗坏血酸积累**
盐胁迫下，ER和ERHG的脯氨酸浓度分别增加165.3%和93.5%（图5A），但ERHG的相对增幅较小，暗示谷氨酸池在GABA与脯氨酸合成间存在竞争。抗坏血酸含量在盐胁迫下表现出基因型依赖性：ER增加59.0%，而ERHG维持稳定（图5B），且ERHG在对照条件下即保持较高基线水平，显示其更强的抗氧化潜力。
**总结与讨论**
研究人员指出，盐胁迫通过诱导渗透胁迫、离子失衡和氧化胁迫抑制植物生长，但本研究中盐处理增加了两种基因型的果实数，尤其在ERHG中更为显著，说明该盐胁迫条件未单纯抑制生殖发育，反而诱导了适应性响应。ERHG更高的GABA积累可能参与了果实发育的调控。GABA代谢与碳氮分配、能量代谢及胁迫适应密切相关。ERHG在盐胁迫下积累更多GABA并增加干物质含量，而TSS类似增加，提示干物质积累并非仅来自可溶性糖，可能涉及其他代谢物或结构成分。抗坏血酸水平的维持表明ERHG具有更强的抗氧化能力。脯氨酸积累的减少则支持了谷氨酸代谢向GABA合成偏移的假说。这些发现表明，果实特异性增强GABA积累通过改善代谢调整，使植物在不利条件下维持果实发育和品质，而非直接赋予胁迫耐受性。未来需进一步分析ROS积累、抗氧化酶活性及GABA分流相关代谢变化，以阐明其机制。从应用角度，利用基因组编辑技术改良果实GABA含量，是开发具有改善营养价值和稳定产量作物的一种有前景的策略。
