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铝毒是酸性土壤上限制作物生产的主要限制因子之一,而酸性土壤占全世界潜在耕地的50%左右。番茄是全世界重要的蔬菜作物之一并且对酸、铝非常敏感,阐明其对酸铝胁迫的响应机制及转录调控机制,不仅可揭示植物酸铝毒害机制,而且为遗传改良和培育番茄耐酸铝新品种提供了基础。本研究通过番茄耐酸铝能力筛选和RNA-Seq,鉴定了番茄根尖早期铝胁迫响应基因,并通过生物信息学分析,对2个番茄NAC家族成员NAC063和NAC064在调控番茄耐铝机制中的作用进行了研究。主要研究结果如下:番茄早期铝敏感及后期根伸长回复机制研究。为研究番茄铝毒和铝胁迫响应机制,我们首先对7个不同基因型番茄进行了耐铝性筛选。通过铝诱导根伸长抑制研究发现,不同基因型间对铝胁迫无显著差异。因此,后续试验我们均以栽培种番茄AC(Ailsa Craig)为研究对象。通过pH梯度和铝浓度梯度试验,确定铝浓度5 μM和pH 5.0为番茄幼苗铝处理最适合条件。我们发现,番茄在该处理条件下处理6h后,其根长就被抑制40%。然而处理24 h后,其根长仅被抑制了 10%,这说明在铝胁迫后期,番茄耐铝机制被激活或出现新的耐铝机制。进一步研究发现,根长回复机制与铝活度和根尖总铝含量无关,而与铝在根尖的分布与转运有关。系统发育与基因表达分析显示,铝在根尖的转运与分布可能与SlNIP1;2和SlALMT10协同作用有关。番茄根尖铝响应基因鉴定与分析。经转录组分析,我们在对照组(正常条件)和处理组(铝处理条件)数据中分别平均鉴定到20,931和20,785个基因。差异表达基因(DEGs)共2409个,其中表达上调基因1620个,下调基因789个。差异表达基因经GO生物学功能富集和KEGG代谢途径富集分析后发现,铝胁迫主要影响番茄代谢途径和次生代谢相关基因的表达,从而抑制根生长。已知耐铝同源基因在番茄中均受铝胁迫诱导上调。我们鉴定到89个差异表达转运蛋白基因,主要是参与铝吸收和累积、有机酸分泌和细胞壁修饰相关。同时发现,受铝诱导表达上调的转录因子大部分属于MYB和NAC家族。这些发现为构建番茄耐铝调控网络奠定基础。番茄NAC家族成员的鉴定与分析。利用生物信息学分析,我们在番茄基因组共鉴定到93个NAC家族成员。根据系统发育分析结果,93个NAC基因可划分为5个亚家族。同时根据NAC基因在番茄染色体上的分布,我们对所有番茄NAC转录因子进行了重新命名,解决了已报道番茄NAC命名混乱的问题。表达谱分析显示,93个NAC在不同组织和不同果实发育阶段,有着不同的表达模式。结合番茄根尖转录组以及环己酰亚胺处理后的qRT-PCR分析,我们发现NAC基因是参与番茄根尖早期铝胁迫响应基因。本研究为进一步解析番茄NAC基因生物学功能提供了基础,将有助于今后番茄农业性状的改良。SlNAC063转录因子参与调控番茄耐铝性。转录调控在植物适应铝毒害的机制中起着重要的作用。然而,目前鉴定到的参与植物铝胁迫响应的转录因子研究仍然非常有限。本文鉴定到一个受铝胁迫表达上调的番茄NAC转录因子基因,SlNAC063。进一步研究发现,SlNAC063是一个核定位的转录激活子,其转录激活活性依赖C端C2结构域。表达模式分析显示,铝处理条件下,SlNAC063在番茄根中特异性受铝诱导上调,且在根尖处尤为明显。此外,SlNAC063受铝诱导上调表达水平随铝处理浓度和时间的增加而上升。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术,我们获得了 SlNAC063的功能缺失突变体,nac063#5-5和nac063#5-7。表型分析发现,正常条件下,nac063#5-5和nac063#5-7根伸长小于野生型WT;铝胁迫下,突变体与WT的根伸长无显著性差异,但突变体根尖总铝含量低于WT。以上结果表明,SlNAC063负调控番茄耐铝性且影响番茄根系发育。SlNAC064通过调控SlAAE3-1参与番茄铝胁迫响应。AAE3基因编码草酰辅酶A合成酶,其介导的草酸代谢途径在提高生物和非生物胁迫(Al和Cd胁迫)耐性方面起重要作用。然而,AAE3上游的转录调控机制仍不清楚。结合番茄根尖转录组和TomExpress平台番茄转录组数据库,我们通过分析SlAAE3-1与所有番茄转录调控子之间的共表达相关性系数,找到6个可能调控SlAAE3-1的转录因子,它们分别是 HSFA3、JA2(SlNAC090)、C6HC-type、C3HC4 RING-type、Homebox-WOX和NOR-like 1(SlNAC064)。双荧光素酶瞬时表达系统分析显示,这6个转录因子均可以调控SlAAE3-1。有趣的是,通过分析(SlAAE3-1在nac064突变体中的表达,发现SlNAC064对SlAAE3-1的调控具有组织特异性,即在叶中正调控SlAAE3-1,而在根中负调控SlAAE3-1。此外,我们鉴定并分析了番茄中的53个AAE家族成员,发现共有9个成员基因表达受铝胁迫调控,其中3个AAE基因(SlAAE3-1、SlLA CS3和SlAAE1-6)表达上调最显著。同时发现,这3个AAE基因响应不同重金属、植物激素和盐等非生物胁迫。综上所述,我们鉴定到SlNAC063和SlNAC064参与番茄耐铝,并初步明确耐铝基因SlAAE3-1受SlNAC064调控,丰富了番茄耐铝机制,为未来番茄遗传改良和分子育种提供理论基础,最终提高酸性土壤中番茄种植产量。