《Plant Physiology and Biochemistry》：Interspecific tomato MAGIC rootstocks confer drought tolerance through distinct biochemical and transcriptomic modulation
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干旱胁迫是番茄生产的主要限制因素，影响植株水分状况、生长和生理表现。嫁接在遗传多样性砧木上是一种改善干旱适应性的有前景的策略。基于先前的评估，选用了在干旱响应方面表现出相反表型的种间番茄MAGIC衍生系（ToMAGIC）作为候选耐旱基因型和敏感基因型。研究人员
干旱胁迫是番茄生产的主要限制因素，影响植株水分状况、生长和生理表现。嫁接在遗传多样性砧木上是一种改善干旱适应性的有前景的策略。基于先前的评估，选用了在干旱响应方面表现出相反表型的种间番茄MAGIC衍生系（ToMAGIC）作为候选耐旱基因型和敏感基因型。研究人员假设这些对比鲜明的基因型在用作砧木时，会差异性地调控嫁接Moneymaker接穗的干旱响应，并且所选耐旱株系会通过与砧木特异性转录调控相关的独特生理和生化响应来赋予改良的性能。为验证这一假设，将Moneymaker接穗嫁接在六个砧木上，其中包括来自种间ToMAGIC群体的三个选系，并在对照条件或停水处理10天后，每个处理设置六个生物学重复进行评估。评估了表型和生化性状，并对接穗叶片组织进行了RNA测序。砧木基因型强烈影响接穗的干旱响应。在10天停水处理下，S5_T_583和S5_T_724表现出更优的性能，而自嫁接Moneymaker和S5_T_865表现出更明显的胁迫症状。在水分胁迫下，S5_T_583的叶片含水量比商业砧木Emperador高14%，根系含水量高11%，同时将平均萎蔫评分从3.0降至0.5。它还积累的总黄酮约比Emperador高三倍，总酚类化合物约为Emperador的两倍。S5_T_724的叶片和根系含水量也比Emperador高约9%，并表现出较低的萎蔫评分。RNA-seq和WGCNA揭示了与光合作用、内质网蛋白质加工、类胡萝卜素生物合成、苯丙氨酸代谢、氨基酸代谢、氮代谢和脂质代谢相关的砧木特异性基因表达模式和共表达模块。这些发现表明，选定的ToMAGIC衍生砧木通过与砧木特异性转录模式相关的独特生理和生化响应，改善了嫁接番茄的干旱响应。
论文解读：种间番茄MAGIC砧木通过差异生化与转录调控赋予嫁接番茄抗旱性
一、研究背景与科学问题
气候变化加剧了全球干旱事件的频发，对作物生产构成严重威胁。番茄（Solanum lycopersicum）作为全球广泛栽培的蔬菜作物，对水分亏缺高度敏感，干旱胁迫会导致植株水分状况恶化、光合作用下降、气孔导度降低和膜稳定性受损，同时诱发氧化胁迫，最终限制产量。传统育种通过渗入抗旱数量性状位点（QTL）改良番茄抗旱性面临诸多困难，因为抗旱性属于多基因控制的复杂性状，且常规杂交育种难以将多个抗性相关位点同时整合到优良品种中。近缘野生种如S. lycopersicum var. cerasiforme (SLC)和S. pimpinellifolium (SP)是抗旱基因的重要来源。研究人员利用八个野生近缘种材料构建了种间番茄MAGIC群体（ToMAGIC），并从中筛选出在干旱条件下总生物量表现对比鲜明的品系。嫁接作为一种利用砧木遗传多样性的实用策略，可在不改变接穗遗传背景的情况下改善接穗的逆境适应性，尤其适用于多基因控制的抗旱性状。然而，商业砧木的抗旱能力仍有限，且基于MAGIC群体筛选的具有抗旱潜力的砧木材料尚未被系统评估。因此，研究人员提出假设：先前表现出对比性干旱响应的ToMAGIC衍生系在作为砧木时，能够差异性地调控共同接穗Moneymaker（MM）的干旱响应，并通过特定的生理、生化和转录调控机制赋予改善的性能。
二、研究材料与方法
试验以Moneymaker（MM）为接穗，选择六个基因型作为砧木：三个来自ToMAGIC群体的S5重组自交系（S5_T_583、S5_T_724为耐旱型，S5_T_865为敏感型）、一个MAGIC群体祖先系SP2、一个商业砧木Emperador F1，以及自嫁接MM（MM_SG），同时设置未嫁接MM作为对照。每个嫁接组合在对照（正常灌溉）和水分胁迫（停水10天）处理下各设六个生物学重复，采用完全随机设计，在温室条件下进行。停水期间用称重法控制土壤田间持水量。处理后进行表型测定，包括茎长（SL）、萎蔫评分（四级量表）、根系深度（RD）、最大根宽（RW）、根表面积（RA）等根系构型参数，并计算叶片（LWC）、茎（SWC）和根（RWC）的含水量。生化测定包括脯氨酸（Pro）、丙二醛（MDA）、总黄酮（TF）、总酚（TPC）、总可溶性糖（TSS），以及单体酚类化合物（绿原酸、咖啡酸、芦丁、槲皮素、山柰酚）。RNA-seq对接穗叶片进行转录组测序，利用DESeq2鉴定差异表达基因（DEGs），结合WGCNA构建共表达网络，并进行GO和KEGG富集分析，最后将模块与表型性状进行关联分析。
三、研究结果
（一）嫁接和水分胁迫处理效应
水分胁迫显著影响茎含水量（SWC）、茎长（SL）、最大根宽（RW）、总黄酮（TF）、总酚（TPC）和总可溶性糖（TSS）。嫁接本身显著影响根宽和根表面积，以及总黄酮、总酚、绿原酸、槲皮素和山柰酚含量，说明嫁接过程对某些性状有非特异性影响。砧木基因型与处理之间的交互作用对大部分生物量、含水量、根系构型和生化性状均显著。
（二）水分含量与根系构型
在水分胁迫下，S5_T_583表现最优，其叶含水量和根含水量与对照无显著差异，萎蔫评分最低（0.5），显著低于Emperador（3.0）和MM_SG（3.0）。S5_T_583的叶含水量比Emperador高14%，根含水量高11%。S5_T_724也保持了较高的水分含量和较低的萎蔫评分。根系构型方面，S5_T_583在对照和胁迫下均表现出最深的根系，胁迫下仍维持较深的根深，而S5_T_865的根深降幅最大。
（三）生化与酚类化合物
水分胁迫下，S5_T_583的TF和TPC含量显著升高，分别约为Emperador的三倍和两倍，且其可塑性指数在TF和TPC中最高。S5_T_583的脯氨酸积累量相对低于多个其他砧木组合，MDA含量变化较小。MM_SG在芦丁和槲皮素方面增幅最大。各砧木组合中脯氨酸普遍积累，但S5_T_583和SP2的脯氨酸增幅相对较低。
（四）转录组分析
主成分分析显示PC1（81%）区分了对照和胁迫处理，S5_T_583和S5_T_724在胁迫下聚集紧密，且更靠近对照样本。DEG数量方面，MM、MM_SG和Emperador分别有11,585、10,375和10,191个DEGs，而S5_T_583（7,990）、S5_T_724（6,430）和S5_T_865（7,699）较少。所有砧木组合中，S5_T_583和S5_T_724在光合作用通路中关联的DEGs较少，而敏感组合较多。
（五）共表达网络与通路富集
WGCNA分析显示，S5_T_583中黑色模块包含角质、木栓质和蜡质生物合成、过氧化物酶体、苯丙氨酸代谢通路；蓝色模块包含类胡萝卜素生物合成、β-丙氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢。S5_T_724中黑色模块共表达丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢及氮代谢，黄色模块涉及脂肪酸代谢、丙酸代谢和不饱和脂肪酸生物合成，并与内质网蛋白质加工和光合作用天线蛋白共表达。S5_T_865和MM_SG则富集植物激素信号转导和MAPK信号通路。模块-性状关联分析显示，S5_T_583的深青色和三文鱼色模块与水分含量、根系性状、脯氨酸、TF、TPC和TSS强烈相关，且方向相反；蓝色模块与根系含水量和根深显著负相关，其中包含脱落酸8′-羟化酶基因CYP707A2和胺氧化酶结构域蛋白基因。S5_T_724的黄色和棕色模块与多项水分、生长和酚类性状相关。
四、讨论与结论
本研究证明，嫁接本身会诱导与伤口愈合相关的转录变化，但砧木基因型进一步塑造了接穗在干旱下的响应。耐旱砧木S5_T_583通过维持深层根系、保持组织含水量、减少萎蔫，并激活苯丙烷代谢、类胡萝卜素合成、角质和蜡质合成等通路，增强了接穗的抗氧化能力和水分保持。S5_T_724则通过氮代谢、氨基酸代谢和脂肪酸代谢等不同途径赋予抗旱性。敏感组合表现出更强烈的激素和MAPK信号激活，反映其遭遇更严重的胁迫扰动。该研究首次将MAGIC群体的遗传变异应用于砧木筛选，证明ToMAGIC衍生系可作为改善嫁接番茄抗旱性的有效砧木资源。研究同时指出，温室单时间点测定、缺乏恢复期评估和产量性状验证是主要局限，未来需结合多时间点、田间条件和基因功能验证进一步确认。研究结论强调，将转录组分析与生理生化测定相结合，揭示了砧木介导抗旱性的多层面调控机制，为培育抗旱砧木品种提供了理论基础和候选基因资源。
