SlSCL3在番茄萜烯生物合成和腺毛發育的調控中的作用

　　2021年6月18日，The Plant Journal在線發表了德國萊布尼茨植物生物化學研究所所長Alain Tissier教授為通訊作者的題為“The Scarecrow-Like Transcription Factor SlSCL3 Regulates Volatile Terpene Biosynthesis and Glandular Trichome Size in Tomato (Solanum lycopersicum)”的研究論文，中國農業科學院煙草研究所特聘研究員楊長青為為論文第一作者。該研究發現GRAS轉錄因子家族成員SlSCL3在番茄揮發性萜烯生物合成和腺毛發育的復雜調控中發揮重要作用。

　　研究背景

　　VI型腺毛是番茄（Solanum lycopersicum L.）葉片、莖、幼果和花朵表面最豐富的腺毛類型，能夠產生并儲存揮發性單萜和倍半萜混合物。這些化合物在植株與病原體和食草昆蟲的相互作用中起著重要作用。盡管目前已對萜烯合酶在番茄揮發性萜烯生物合成中的作用進行了全面研究，但對其轉錄調控的分子機制還缺乏了解。

　　主要結果

　　根據現有轉錄組數據分析篩選在腺毛中過度表達的轉錄因子，并通過病毒誘導的基因沉默將番茄植株中的候選基因進行下調表達。隨后對沉默植株葉片的己烷提取物進行GC-MS分析，結果發現GRAS蛋白家族成員scarecrow-like轉錄因子SlSCL3的沉默表達導致番茄葉片中揮發性單萜和倍半萜烯含量顯著降低，且萜烯合酶編碼基因SlTPS5和SlTPS12的表達水平也顯著降低。表明SlSCL3可能在揮發性萜烯生物合成的轉錄調控以及番茄VI型腺毛的發育過程中發揮功能。

　　進一步功能鑒定發現，SlSCL3過表達株系葉片中單萜和倍半萜烯含量較對照明顯提高，SlTPS5和SlTPS12以及揮發性萜類前體生物合成基因的表達水平相應增加。VI型腺毛是揮發性萜烯生物合成和儲存的關鍵位點，因此對植株表面VI型腺毛的密度和形態進行觀察以解析SlSCL3對腺毛發育的影響。結果顯示，SlSCL3過表達植株葉片和莖上的腺毛體積明顯增大，而腺毛密度則無明顯變化。利用CRISPR-Cas9技術構建并獲得了SlSCL3敲除突變體，其揮發性萜烯含量、腺毛表型以及相關基因的表達水平均與過表達株系檢測結果相反。而值得注意的是，與野生型和純合突變體相比，雜合突變體（Slscl3-1+/-和Slscl3-2+/-）卻表現出與過表達植株相似的表型，即顯著升高的揮發性萜烯含量和增大的腺毛體積（圖1）。

　　圖1. 雜合Slscl3突變體顯示出與過表達植株相似的表型

　　為解析SlSCL3的調控機制，GUS活性分析顯示，SlSCL3共表達可使上述前體生物合成途徑基因和TPSs基因啟動子的轉錄顯著增加。但酵母單雜結果顯示SlSCL3與這些基因啟動子之間并無結合活性，同時通過酵母雙雜也未檢測發現其與已知萜類化合物代謝調控因子的互作。

　　經qRT-PCR得以確認，雜合突變體與過表達株系相似表型的產生是由于SlSCL3轉錄的上調引起的。此外，SlSCL3轉錄本水平顯著高于Slscl3-1/2純合突變體。進一步檢測發現，盡管在過表達植株中SlSCL3的整體轉錄水平較對照顯著增加，但其內源轉錄水平卻有約50%的下調。GUS活性結果顯示，共表達SlSCL3導致其自身啟動子轉錄活性降低了大約40%。有趣的是，GUS活性在純合Slscl3突變體中顯示增加，而在過表達和雜合株系中顯示降低（圖2），表明SlSCL3是一種自我調控轉錄因子，能夠抑制其自身啟動子的轉錄。

　　圖2. SlSCL3是一種自身抑制因子

　　作者介紹

　　楊長青，特聘研究員，中國農業科學院青年英才所級人才。2010年畢業于中國科學院大學，2010-2017年在中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所工作,2017-2020年獲洪堡基金會資助在德國萊布尼茨植物生物化學研究所工作，2020年至今在中國農業科學院煙草研究所工作。長期從事植物分子生物學與天然產物代謝方面研究，發現了多種植物萜類化合物生物合成途徑以及調控植物腺毛發育的關鍵調控因子。先后在PNAS、Nature Communications、Plant Biotechnology Journal、Frontiers in Plant Science等學術期刊發表多篇具有重要參考價值的論文。同時承擔和參與多個國家自然科學基金、轉基因生物新品種培育重大專項、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目。