![]()
番茄是全球重要的蔬菜作物，起源于南美洲安第斯山脉地区。在番茄的进化和人类选择过程中，由于生长环境的改变（从高海拔到低海拔），使得低温不再是番茄进化选择的主要逆境压力，这造成了现代栽培番茄耐寒能力下降。然而，随着我国设施农业的快速发展，冬春低温造成的设施蔬菜冷害业已成为限制产业高质量发展的瓶颈问题。因此，解析设施主栽喜温蔬菜番茄耐寒能力下降的机制，创制耐寒种质和调控技术，对于产业发展具有重要意义。近日，Nature Communications在线发表了浙江大学喻景权院士团队题为“Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34 promoter fragment during tomato evolution”的研究论文。文章以冷敏感的栽培番茄(Solanum lycopersicum)和耐寒的野生多毛番茄（S. habrochaites）为主要研究对象，通过多组学联合分析以及生理生化、遗传学和生物信息学等手段，揭示了在野生番茄和栽培番茄中WRKY34低温表达模式差异的原因，及其调控番茄耐寒能力的具体机制。![]()
研究通过对栽培番茄和多毛番茄在低温胁迫下的ATAC-Seq和RNA-Seq联合分析，发现多毛番茄和栽培番茄WRKY34染色质在常温下均呈关闭状态；低温处理后，栽培番茄SlWRKY34附近染色质仍然关闭且表达水平几乎不发生变化，而野生多毛番茄ShWRKY34附近染色质则明显打开且表达受到抑制。通过对过表达WRKY34植株以及slwrky34突变体植株进行低温处理，发现WRKY34负调控番茄耐寒性。
![]()
图1 低温下WRKY34表达与蛋白水平在多毛番茄和栽培番茄中存在显著差异
进一步研究发现，栽培番茄WRKY34基因启动子中的一段60 bp 片段缺失造成其WRKY34表达不能响应低温。之后，通过分析376份不同番茄品种WRKY34启动子中60 bp InDel的序列变异情况，并在低温处理后检测不同番茄品种WRKY34的表达水平，揭示了60 bp InDel与不同番茄WRKY34在低温胁迫下表达模式的显著相关性。研究证明了WRKY34基因启动子中的60 bp InDel在调控番茄低温胁迫响应中起着至关重要的作用，且这一调控机制在野生和栽培番茄中存在显著差异。![]()
图2 在番茄进化中WRKY34低温表达的差异与其启动子60bp InDel相关
研究同时发现，低温胁迫下，染色质重塑因子SWIB通过招募转录因子GATA29，协同作用于野生番茄WRKY34基因启动子中的60 bp InDel区域，从而抑制WRKY34的表达，提高番茄耐寒能力。此外，研究还发现，WRKY34在蛋白水平通过与CBF1蛋白互作干扰CBF1对其自身和下游冷响应基因CORs的转录激活功能；而在转录水平上，WRKY34能够直接结合CBFs和CORs启动子，抑制它们在低温下的表达，从而干扰CBF-COR抗冷途径，降低栽培番茄耐寒能力。![]()
图3 GATA29和SWIBs能够结合WRKY34启动子抑制其转录
综上所述，作者提出了一个野生番茄和栽培番茄耐寒能力差异的新机制。在低温胁迫下，野生番茄S. habrochaites的WRKY34启动子由于存在60 bp片段，使得染色质重塑因子SWIBs能够与其结合，从而打开附近区域的染色质，并招募转录抑制因子GATA29与60 bp内的GATA-box结合，抑制WRKY34的表达，从而解除WRKY34在蛋白水平和转录水平对CBF-COR抗冷途径的干扰作用。然而，栽培番茄WRKY34启动子中60 bp DNA片段的缺失导致其在低温胁迫下无法结合SWIBs，阻止染色质打开和GATA29的招募，从而无法抑制WRKY34的表达和对CBF-COR抗冷途径的干扰，导致栽培番茄耐寒能力的丧失。![]()
图4 WRKY34介导番茄耐寒性的机制图
浙江大学博士研究生郭明月为本文第一作者，周杰教授为通讯作者，喻景权院士为本研究给予重要指导，塞浦路斯理工大学Vasileios Fotopoulos教授参与了本项研究工作。本研究获得国家自然科学基金、国家大宗蔬菜产业技术体系等项目资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51036-y
来源：iPlants
