番茄花及早期果实发育的激素中心多组学图谱：揭示GH3介导的生长素稳态调控花粉耐热性新机制

《Plant Communications》：Hormone-Centric Multi-Omics Atlas of Flower and Early Fruit Development in Tomato

　　本研究针对植物生殖发育过程中激素代谢网络不清的问题，通过构建番茄花器官和早期果实组织的激素代谢组、转录组和蛋白质组整合图谱，系统揭示了生长素(AUX)等六类激素的动态变化规律，并发现GH3酰胺合成酶介导的生长素缀合是雄蕊特异性调控花粉耐热性的关键机制，为作物抗逆育种提供了重要理论依据。

　　

在农业生产中，高温胁迫常导致作物花粉育性下降，进而引起果实减产，这一现象在番茄等园艺作物中尤为突出。然而，人们对于高温影响花粉发育的具体分子机制知之甚少，特别是植物激素在这一过程中的调控作用尚不明确。以往的研究大多局限于单一激素或少数几个激素分子的分析，缺乏对多种激素及其代谢物在花器官发育过程中动态变化的系统解析。为了解决这一难题，由Andrii Vainer、Sayantan Panda和Yana Kazachkova等共同第一作者，Asaph Aharoni和Hagai Yasuor共同通讯的研究团队在《Plant Communications》上发表了题为"Hormone-Centric Multi-Omics Atlas of Flower and Early Fruit Development in Tomato"的研究论文。

为了系统揭示番茄生殖发育过程中的激素调控网络，研究人员采用了多组学整合分析策略。关键技术方法包括：利用液相色谱-质谱联用(LC-MS)对番茄不同发育阶段的花器官和早期果实组织进行58种激素代谢物的绝对定量分析；通过3'端测序技术(TranSeq)进行转录组分析；采用鸟枪法蛋白质组学对特定组织进行分析；通过CRISPR/Cas9技术构建gh3基因突变体；利用农杆菌介导的瞬时表达系统在本氏烟中进行基因功能验证；通过体外酶活实验验证GH3蛋白的底物特异性。

Spatiotemporal metabolite accumulation and related gene expression during tomato flower and early fruit development

研究人员系统分析了六类激素代谢物在番茄花器官和早期果实中的时空分布特征。在细胞分裂素(CKs)方面，异戊烯基腺嘌呤(iP)型细胞分裂素在所有组织中含量最高，其中年轻雄蕊(5-7毫米花蕾阶段)中多种细胞分裂素代谢物显著积累，表明其在花粉发育中的重要作用。生长素(AUXs)分析显示，游离IAA在花发育过程中逐渐减少，特别是在雄蕊组织中，开花期比3毫米花蕾期降低了20倍，而IAA-Asp等结合形式在开花期雄蕊中积累。脱落酸(ABA)及其代谢物在花发育后期在雌蕊和雄蕊中显著积累，而在受精后浓度下降，可能有利于受精和坐果过程。赤霉素(GAs)在5-7毫米雌蕊和5毫米花瓣中达到积累峰值，GA4、GA8等在坐果后子房中浓度增加，证实了赤霉素在坐果中的重要作用。茉莉酸(JAs)和水杨酸(SA)在雌蕊和萼片发育早期达到峰值，随后在所有器官中减少，而SA在花瓣组织中保持稳定直至开花期，可能促进花瓣衰老和程序性细胞死亡。

Multi-omics dissection of auxin conjugation highlights GH3 gene function in tomato flower organs

多组学数据整合分析发现，在花发育后期特异性表达的基因簇中包含了三个GH3酰胺合成酶家族成员：GH3-2(Solyc01g107390)、GH3-7(Solyc07g053030)和GH3-15(Solyc12g05310)。这些基因在雄蕊组织中表达量最高，且在开花期达到峰值。体外酶活实验表明，这三个GH3蛋白能够将IAA与多种氨基酸(包括天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸等)结合，形成相应的酰胺缀合物。在本氏烟叶片中瞬时过表达这些GH3基因导致游离IAA水平显著降低，而IAA-Asp水平升高。

GH3 proteins convert auxins to amide conjugates in vitro and in planta

研究人员通过CRISPR/Cas9技术构建了gh3-2、gh3-7和gh3-15的单基因、双基因和三基因突变体。在10毫米花蕾期的雄蕊中，gh3突变体表现出游离IAA水平的显著升高，特别是三基因突变体(triple-gh3-2/7/15-1)中IAA积累最为明显。同时，gh3-7突变体中IAA-Glu水平显著降低，表明GH3-7在体内特异性催化IAA与谷氨酸的结合。组成型过表达GH3-15的番茄植株表现出生长受限、叶片形态异常、开花延迟和花粉活力下降等表型，而花粉特异性过表达GH3-15同样导致花粉活力降低，表明生长素缀合在花粉正常发育中的重要性。

GH3 loss-of-function alters stamen proteomes and improves pollen resilience to heat stress

蛋白质组学分析发现，gh3-2突变体雄蕊中多种应激相关蛋白上调，包括具有蛋白酶抑制剂活性的蛋白以及病原相关蛋白SlPR1和SlPR4。在热胁迫条件下，gh3-2和gh3-7突变体的花粉活力显著高于野生型，而gh3-15突变体没有表现出明显的耐热性改善。热胁迫处理导致野生型雄蕊中315种蛋白下调，主要包括参与小分子和碳水化合物代谢的蛋白，而181种蛋白上调，其中富含应激响应蛋白。相比之下，gh3-2和gh3-7突变体在热胁迫下共同上调170种蛋白，包括氨基酸代谢促进因子和跨膜转运蛋白，同时共同下调85种蛋白，包括脂肪酸去饱和酶和内肽酶调节因子。

本研究构建了迄今为止最为全面的植物生殖发育激素中心多组学资源，提供了番茄花器官和早期果实组织中六类58种激素代谢物的绝对定量数据，并结合匹配的转录组和蛋白质组数据，揭示了激素在生殖发育过程中的精细调控网络。研究发现GH3介导的生长素缀合是雄蕊特异性调控花粉耐热性的关键机制，为理解植物生殖发育的环境适应性提供了新视角，对提高作物在高温胁迫下的生殖成功率具有重要指导意义。该资源不仅为番茄生殖生物学研究提供了宝贵数据，也为其他作物相关研究提供了参考框架。