Dev. Cell | 四川大学刘明春团队揭示两个乙烯响应因子精细调控番茄果实细胞壁形成和果实硬度变化的分子机制

责编 | 王一

细胞壁为植物细胞提供结构框架，在植物的整个生长和发育过程中发挥着不可或缺的作用。番茄等肉质果实的硬度变化与细胞壁组分的合成与降解过程紧密相关。果实早期发育过程中需要维持硬度以保证正常发育，而成熟过程中果实发生软化以满足种子扩散和人类食用需求。尽管目前关于果实成熟过程中的软化调控已有较多研究，但对果实早期硬度的维持以及发育与成熟过程中硬度转化的转录调控机制还缺乏深入的研究。

近日，四川大学生命科学学院刘明春教授课题组在Cell子刊Developmental Cell发表题为“Bifunctional transcription factors SlERF.H5 and H7 activate cell wall and repress gibberellin biosynthesis genes in tomato via a conserved motif”的研究论文。该研究通过解析两个在果实早期发育过程中特异性表达的同亚家族乙烯响应因子SlERF.H5和SlERF.H7在细胞壁纤维素合成、胶质液化、果实硬度调控中的功能和作用机制，揭示了ERF家族基因精细调控果实发育和成熟过程中果实硬度变化的分子机制。研究结果不仅丰富了果实硬度调控的理论，也为基于果实硬度调控的采后贮运保鲜技术的研发提供了新的思路。

该研究在调控番茄果实胶质液化和早期硬度的关键基因MBP3转基因材料的差异表达基因中鉴定到在番茄果实早期发育阶段特异性表达的两个ERF同亚家族基因SlERF.H5和SlERF.H7。通过对SlERF.H5和SlERF.H7敲除突变体（包括单突和双突）及过表达材料进行表型分析，发现这两个基因以功能叠加的方式在果实早期发育阶段保证胶质正常发育和维持硬度方面发挥重要功能。通过组织学观察和细胞壁物质测定，进一步研究确定了果实硬度变化的主要因素是细胞壁的增厚与纤维素的积累。为了探究其分子机制，研究团队通过转录激活、EMSA、ChIP-qPCR等实验发现SlERF.H5/H7能够结合纤维素合酶基因SlCESA3启动子区域的DRE顺式作用元件，并激活SlCESA3基因的表达，从而促进细胞壁中纤维素的合成以维持果实发育期细胞壁的完整性。值得注意的是，在过去的研究中，果胶物质被认为是细胞壁中影响果实硬度的主要成分，而本研究证明了纤维素同样在果实硬度的调控中扮演着重要角色，这一发现丰富了我们对果实发育成熟过程中细胞壁结构和功能的认识。

SlERF.H5/H7调控果实细胞壁形成。A、果皮厚度；B、胶质液化；C、细胞壁厚度和形态；D、不同发育成熟期的果实硬度变化。

有趣的是，尽管SlERF.H5/H7的过表达促进了细胞壁的形成，但这些植株却展现出明显的生长抑制表型，包括植株矮小和开花延迟等。通过对植株内不同激素含量的测定发现赤霉素含量的降低是导致植株矮小的关键因素。分子实验表明，除了作为转录激活子外，SlERF.H5/H7还能够作为转录抑制子结合到赤霉素关键合成基因GA20ox1的启动子区域并抑制其表达，从而抑制植株的生长。值得一提的是，该研究在SlERF.H5/H7及其同源物中鉴定到一段保守基序（LPL-motif），试验证明，这个保守的LPL基序对于SlERF.H5/H7对SlCESA3的转录激活作用以及对GA20ox1的转录抑制作用都是必不可少的。

从番茄的整个生长周期来看，SlERF.H5/H7的表达模式展现出高度的时空特异性。在前期营养生长阶段，为了确保植株的正常生长，这两个基因必须维持在低表达水平；然而，到了果实发育期，它们的表达水平上升，以促进幼果生长发育中细胞壁的形成与果实硬度的维持。当果实接近成熟时，SlERF.H5/H7的表达又逐渐降低，这使得果实硬度降低以保证其正常软化。这种精确的时空调控很可能是植物在长期进化过程中为适应环境而形成的。总之，该研究不仅揭示了双功能转录因子SlERF.H5/H7在调控果实早期质地形成中的分子机制，也为番茄果实品质的改良提供了重要的理论支持。

SlERF.H5/H7作为双功能转录因子发挥调控作用 A、营养生长表型；B、LPL保守基序；C、对不同靶基因的转录激活和转录抑制活性；D、SlERF.H5/H7在番茄整个生命周期的表达模式和功能。

四川大学刘明春教授为该论文独立通讯，四川大学裴艳刚博士为第一作者。实验室薛启寒、许伟杰、武孟波，已毕业学生舒朋、杜晓菲，法国图卢兹大学Mondher Bouzayen和Julien Pirrello教授、英国华威大学洪益国教授、岭南师范学院刘锴栋教授等参与了本课题的研究。该研究得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金等课题和项目的资助。

据悉，四川大学刘明春课题组长期聚焦果实成熟与品质代谢的调控机制研究，特别关注乙烯响应因子ERF的功能和作用机制。近五年，以通讯联系人在Developmental Cell、Nature Communications、Plant Cell、Molecular Plant、New Phytologist、Journal of Integrative Plant Biology、Plant Physiology等国内外知名期刊上发表了一系列研究成果，深入揭示了ERF转录精细调控果实成熟、软化、色泽形成、风味和营养品质代谢以及采后抗性等分子机制。研究结果不仅为全面解析ERF家族的功能奠定了基础，也为果实品质调控及采后贮运保鲜技术的研发提供新靶点。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.03.006