细胞色素P450蛋白AtCYP85A2通过促进转基因番茄中油菜素内酯的生物合成,增强了植物的抗逆能力

时间:2026年1月22日
来源:Plant Science

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番茄中过表达拟南芥CYP85A2基因显著提升耐盐和耐旱性,通过增强 brassinosteroid(BL)合成、促进离子稳态及降低活性氧损伤实现,为作物抗逆遗传改良提供新靶点。

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上圆圆|田朝阳|卢凯峰|郭宇|宋硕|宋子斌|莫红玲|赵丽子|张红霞|赵彦秋

摘要

细胞色素P450(CYP)基因家族通过调控油菜素内酯(BR)的生物合成,在各种条件下对植物的生长发育起着关键作用,但其在家果作物中的功能仍大部分未被探索。本研究将拟南芥的AtCYP85A2基因(编码一种BR合成酶,属于P450基因家族)异源表达在番茄中,以分析其在应激反应中的功能。AtCYP85A2在番茄中的组成型表达提高了内源性BR的水平;其表达量增加了119.8%,从而促进了转基因番茄的生长,并提高了其耐盐性和耐旱性。在盐胁迫和干旱胁迫条件下,转基因植株表现出较少的表型损伤。与野生型相比,转基因植株在盐胁迫下的鲜重和干重分别增加了38.3%和77.8%,在干旱胁迫下分别增加了141.7%和146.2%。叶绿素含量也分别增加了93.1%和262.5%。此外,在这些胁迫条件下,转基因植株的抗氧化酶活性增强,编码抗氧化酶的基因表达也增加。具体而言,SOD、CAT和APX的活性在盐胁迫下分别增加了237.1%、66.2%和168.8%,在干旱胁迫下分别增加了234.3%、68.8%和108.2%。总体而言,这些发现表明AtCYP85A2通过调节离子平衡和活性氧(ROS)代谢,正向调控了番茄的耐盐性和耐旱性,凸显了其作为提高家果作物耐逆性靶基因的潜力。

引言

油菜素内酯(BRs)、独脚金内酯(SLs)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA)和细胞分裂素等植物激素在调节植物生长发育及对环境胁迫的响应中起着重要作用(Waadt等人,2022年;Słomnicka等人,2025年)。油菜素内酯(BL)是BRs中最具有生物活性且氧化程度最高的形态,它由卡斯塔斯特酮(CS)在CYP85家族酶的作用下合成,这类细胞色素P450参与植物和动物体内的羟基化和氧化反应(Kim等人,2008年;Kim等人,2004年;Poudel等人,2025年)。6-脱氧卡斯塔斯特酮(6-deoxoCS)向CS的转化也由CYP85A家族酶通过一个6α-羟基化中间体催化完成(Kim等人,2004年;Bajguz等人,2020年)。在拟南芥中,两个CYP85A基因CYP85A1CYP85A2参与CS和BL的生物合成,其中CYP85A2特异性地催化从CS到BL的最终转化步骤(Kim等人,2008年;Pérez-España等人,2011年)。AtCYP85A2的组成型表达促进了转基因拟南芥的营养生长和生殖生长(Kim等人,2005b;Kim等人,2005a;Roh等人,2021年)。在番茄中,两个同源基因SlCYP85A1(也称为< />或< />)和SlCYP85A2具有不同的酶活性。SlCYP85A2AtCYP85A2类似,通过CS将6-脱氧CS转化为BL,而SlCYP85A1则催化6-脱氧CS向CS的转化(Nomura等人,2005年;Li等人,2023年)。SlCYP85A1的功能缺失会导致slcyp85a1突变体出现矮化现象,因为BL缺乏;而SlCYP85A1的过表达则增强了番茄的BL生物合成、光合效率和种子萌发能力(Li等人,2016b;Li等人,2016a)。
为了在恶劣环境中生存和适应,植物进化出了多种机制,包括在分子、生化、生理和发育层面感知胁迫信号并促进最佳生长响应(Ali和Baek,2020年;Van Breusegem和Remacle,2023年)。最近有研究综述了植物激素在提高植物对各种非生物胁迫耐受性方面的显著作用(Ali和Baek,2020年)。除了调节正常的生长发育外,BRs还介导植物对非生物胁迫的响应(Nolan等人,2017年;Khan等人,2023年)。作为胁迫缓解因子,BRs通过外源施用和基因调控,减轻了包括高温、低温、干旱、盐碱、杂草和病原体在内的多种胁迫(Lv等人,2020年;Chaudhuri等人,2022年)。外源施用BRs可以影响植物应对非生物胁迫的能力,而BR调控的植物生长与胁迫耐受性之间的平衡有助于植物适应不同的生长条件(El-Mashad和Mohamed,2012年;Steber和McCourt,2001年)。例如,外源BR处理提高了水稻、豇豆和黄瓜的耐盐性(He等人,2022年),而BR生物合成基因CYP85A1的过表达增强了番茄的耐寒性(An等人,2023年)。BR信号通路基因的功能丧失降低了拟南芥突变体bri1-5的耐旱性,而该基因的功能获得则提高了bes1-D突变体的耐旱性(Ye等人,2017年)。此外,类似糖原合成酶激酶-3的激酶BIN2在拟南芥中作为BR信号转导的负调节因子,通过激活AGL16来抑制盐胁迫信号(Zhu等人,2023年)。相反,ZmBSK7作为BR信号通路的关键成分,在玉米中增强了耐盐性(Zhang等人,2024年)。这些发现突显了BRs在植物胁迫响应中的多样性和依赖性作用。
番茄(Solanum lycopersicum)因其商业价值和营养价值以及其对不良胁迫的抵抗力而成为全球最重要的蔬菜作物之一(Naama等人,2013年)。全球番茄生产面临着土壤盐碱、干旱和高温等多种环境胁迫的挑战,这些胁迫可能导致多种植物反应,如茎生长停止、新叶形成受阻以及老叶加速衰老,最终导致果实产量大幅下降。先前研究表明,外源24-表油菜素内酯(EBR)的应用提高了番茄对干旱胁迫的耐受性(Wang等人,2022年;Dong等人,2025年)。在番茄中过表达SlBZR1D增强了BR信号通路并提高了耐盐性(Jia等人,2021年)。然而,大多数研究集中在生理和表型响应上,而番茄在胁迫适应中的内源性BR生物合成和信号传导机制仍大部分未被探索。
在本研究中,我们从拟南芥中分离出了AtCYP85A2基因,并培育出了表达AtCYP85A2的番茄植株。我们研究了AtCYP85A2在转基因番茄中对非生物胁迫的生物功能,包括表型、生理、生化和遗传层面。我们的发现为培育耐盐和耐旱的番茄提供了有价值的信息。

部分摘要

植物材料与生长条件

将番茄(Solanum lycopersicum Mill.,品种Money Maker)种子播种在含有生根培养基的组织培养皿中。子叶长出后,将这些幼苗用于基因转化。转化后的转基因番茄组织培养幼苗被种植在20×20厘米的盆中,收获后用于繁殖,再播种到10×10厘米的盆中,在温室中栽培。温室的光照周期为16小时光照和8小时黑暗。

AtCYP85A2的表达增加了转基因番茄中的BL积累

为了研究AtCYP85A2在结果实植物中的生物功能,我们创建了在CaMV35S启动子控制下表达AtCYP85A2的转基因番茄植株(图1A)。DNA水平检测显示获得了24株独立的卡那霉素抗性转基因番茄品系。随后我们使用RT-qPCR分析了AtCYP85A2的转录水平(图1B)。根据AtCYP85A2的表达水平,我们选择了转录表达最高的两个品系(L4和

讨论

油菜素内酯(BRs)在植物生长发育和对环境胁迫的响应中起着关键作用(Han等人,2023年)。在BRs的生物合成途径中,CYP90和CYP85家族催化了必要的氧化反应(Bancoş等人,2002年;Tian等人,2023年)。在拟南芥中,CYP85A亚家族包含两个成员:AtCYP85A1CYP85A2(Nomura等人,2005年;Pérez-España等人,2011年)。AtCYP85A2的过表达促进了转基因植物的营养生长和生殖生长(Kim等人,2005b)。

结论

在本研究中,拟南芥的BR生物合成基因AtCYP85A2在番茄中进行了组成型表达。该转基因基因的表达增加了BL的生物合成并促进了转基因植物的生长。AtCYP85A2的组成型表达还提高了转基因植物的耐盐性和耐旱性,同时减少了盐分积累,并增强了抗氧化酶活性和基因表达。因此,通过调节离子平衡和活性氧

资助

本研究得到了山东省高等学校青年创新科技项目(2022KJ120)、STS 2030重大项目(2023ZD04056)以及中国国家自然科学基金(32101482,32071733)的支持。我们感谢加拿大多伦多大学的Jessie Zhang博士对本手稿的认真审阅。

CRediT作者贡献声明

宋硕:可视化、软件、方法学、数据分析。宋子斌:可视化、软件、方法学、数据分析。莫红玲:可视化、软件、方法学、数据分析。赵丽子:写作——审稿与编辑、资金筹集、数据管理。上圆圆:写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、实验设计、数据分析。田朝阳:可视化、软件应用、实验设计、数据管理。卢凯峰:可视化、

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