The targeted overexpression of SlcDF4 in the fruit enhances tomato size and yield involving gibberellin signalling
- 作者
- Begoña Renau-Morata, Laura Carrillo, Jaime Cebolla-Cornejo, Rosa V. Molina, Raúl Martí, José Domínguez-Figueroa, Jesús Vicente-Carbajosa, Joaquín Medina, Sergio G. Nebauer
- 杂志
- Scientific Reports（2020）
- DOI
- 10.1038/s41598-020-67537-x
- 所属领域
- 植物代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
番茄果实大小和产量受多个基因调控，但控制果实生长（尤其是细胞扩张阶段）的调控基因尚不清楚，缺乏对调控网络的功能解析。
研究策略
利用果实特异性PEP羧化酶PPC2启动子在番茄果实中过表达SICDF4转录因子，结合表型、组织学、转录水平、激素含量、酶活性和代谢物分析，解析SICDF4在果实发育与产量形成中的作用机制。
核心内容
该研究利用果实特异性PPC2启动子在番茄中过表达转录因子SICDF4，系统解析了其调控果实发育与产量的机制。结果显示，SICDF4主要在果实扩增期高表达，其果实特异性过表达使成熟果实直径增至对照的160%、单株产量增至200%，果皮厚度从2.9毫米增至5.3毫米，中果皮细胞层数和细胞面积均显著增加。转录与代谢分析表明，SICDF4上调了细胞分裂、细胞扩张及水通道蛋白相关基因，同时促进赤霉素GA4生物合成，使蔗糖合酶活性升高4倍、淀粉含量增至290微克每毫克干重，但降低了生长素含量及相关信号转录水平。成熟果实中苹果酸、GABA和谷氨酰胺含量增加，而柠檬酸和葡萄糖下降。这些结果表明，SICDF4通过赤霉素信号途径协同促进细胞增殖与扩张、增强水分吸收和库强，最终显著提升番茄果实大小与产量，是番茄高产优质育种的重要潜在靶点。
创新点
首次揭示果实特异性过表达SICDF4通过促进细胞分裂与扩张、增强水吸收、提高库强（蔗糖代谢酶活）以及赤霉素GA₄生物合成，显著增加番茄果实大小和产量；同时表明SICDF4参与赤霉素/生长素信号交叉调控途径。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 果实发育调控网络 | SICDF4 | Cycling DOF Factor 4 (CDF4) | 调控 | 果实特异性过表达，促进果实增大和产量提高 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 细胞周期调控 | SICDB2 | B2型细胞周期蛋白依赖性激酶 | 催化 | 细胞分裂标志基因，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 细胞扩张/细胞壁重塑 | SIEXPA5 | 扩张蛋白EXPA5 | 催化 | 促进细胞壁松弛，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 细胞扩张/细胞壁重塑 | SIXTH1 | 木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶XTH1 | 催化 | 参与细胞壁修饰，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 细胞扩张/细胞壁重塑 | SIPEC17 | 果胶裂解酶PEC17 | 催化 | 参与果胶降解，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 水分转运 | SITIP2.3 | 液泡膜内在蛋白TIP2.3（水通道蛋白） | 转运 | 增强水吸收，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 水分转运 | SIPIP1.2 | 质膜内在蛋白PIP1.2（水通道蛋白） | 转运 | 增强水吸收，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 水分转运 | SIPIP2.1 | 质膜内在蛋白PIP2.1（水通道蛋白） | 转运 | 增强水吸收，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 赤霉素生物合成 | SGA20ox1 | GA20-氧化酶 | 催化 | 促进GA₄生物合成，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 赤霉素生物合成 | SGA3ox1 | GA3-氧化酶 | 催化 | 促进GA₄生物合成，表达上调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 生长素生物合成 | ToFZY | 黄素单加氧酶ToFZY | 催化 | 参与生长素合成，表达下调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 生长素信号转导 | SlARF5 | 生长素响应因子5 | 调控 | 与果实大小相关，表达下调 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 生长素信号转导 | SlIAA17 | Aux/IAA转录因子IAA17 | 调控 | 表达无显著差异 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | 蔗糖代谢（库强调控） | LIN5 | 细胞壁转化酶LIN5 | 催化 | 表达上调，增强蔗糖卸载 |
| 番茄（Solanum lycopersicum cv. Moneymaker） | γ-氨基丁酸代谢 | GAD2 | 谷氨酸脱羧酶GAD2 | 催化 | 表达上调至MM的216%，促进GABA积累 |
关键发现
- SICDF4主要在果实扩增期（20-30 DAA）高表达
- 果实特异性过表达使成熟果实直径增至MM对照的160%，干物质含量增至185%，含水量增至235%，单株产量增至200%
- 果皮厚度从2.9mm增至5.3mm，中果皮细胞层数从13.3增至15.5，细胞面积从0.07 mm²增至0.11 mm²
- 上调细胞分裂（SICDB2）、细胞扩张（SIEXPA5、SIXTH1、SIPEC17）、水通道蛋白（SITIP2.3、SIPIP1.2、SIPIP2.1）基因表达
- GA₄含量显著升高，GA20ox和GA3ox转录水平上调，IAA含量及SlARF5转录水平下降
- 蔗糖合酶活性升高4倍，酸性转化酶活性增强，AGPase活性升高，淀粉含量达290 μg/mg DW（对照228）
- 成熟果实苹果酸、GABA和谷氨酰胺含量增加，而柠檬酸和葡萄糖含量下降，GAD2转录水平为MM的216%。
研究结论
SICDF4是调控番茄果实大小、产量和品质的关键转录因子，其通过赤霉素信号途径促进细胞分裂与扩张、增强水吸收与碳同化物分配（提高库强），最终显著提高果实产量；该基因可作为番茄高产优质育种的潜在靶点。