番茄中自体激活MtDMI1通过乙烯信号重编程免疫与发育的机制研究

《Plant Biotechnology Journal》：Autoactive MtDMI1 Reprogrammes Immunity and Development in Tomato via Ethylene Signalling

本文综述了将组成型激活的共生信号通路组分SPD1（MtDMI1）导入番茄的研究，发现其通过激活乙烯生物合成通路（如、），同时诱导广谱抗病性（如对、的抗性）和加速发育进程（如提早开花、果实成熟），为作物抗病与早熟育种提供了新策略。

　　

2.1 SPD1组成型激活共生信号但损害番茄丛枝菌根共生

研究通过稳定转化将组成型激活的M. truncatula DMI1变体SPD1（MtDMI1^S760N）导入番茄栽培种Micro-Tom中。两个独立株系（SPD1#2和#10）通过PCR基因分型确认，并免疫定位至核膜，与DMI1在M. truncatula中的已知定位一致。

在未接种丛枝菌根真菌（AMF）条件下，SPD1株系通过RT-qPCR检测显示AMS标记基因（如SlBCP1、SlRAM2、SlPT5和SlPT4）表达升高，表明共生信号被组成型激活。然而，接种Rhizophagus irregularis后，SPD1株系表现出显著的AMF定殖减少，细胞内菌丝发育减弱和丛枝形成受损，说明SPD1的组成型激活破坏了非寄主植物中正常的AM发育。

2.2 SPD1增强种子萌发并加速番茄果实成熟

表型分析显示，SPD1调节番茄发育时序的多个方面。SPD1表达种子萌发更快，播种后3天的萌发率提高16.6%–21.2%。尽管萌发加速，SPD1幼苗初生根长度减少29.9%–46.6%。SPD1株系开花时间提前，萌发后4周开花率增加2.2至3.4倍。

虽然总果实产量未变，但果实成熟明显加速。SPD1植株在收获时产生更高比例的红色成熟果实，使成熟过程提前约7天。进一步分析表明，早开花是SPD1株系果实早熟的主要驱动因素。

2.3 SPD1调控连接共生与生理调节的模块化转录网络

RNA-seq比较SPD1（SPD1#10）和野生型（WT）植株在非菌根和丛枝菌根条件下的转录组显示，SPD1依赖的转录重编程广泛存在。在接种后2周和4周，SPD1_noAMF、SPD1_AMF和WT_AMF组共有211和327个差异表达基因（DEGs），表明SPD1介导的转录反应与AMF诱导的反应有显著重叠。

KEGG富集分析显示这些DEGs与应激响应通路（MAPK信号、植物-病原互作）、共生相关代谢过程（不饱和脂肪酸和苯丙烷类生物合成）及激素信号网络密切相关。SPD1上调了一系列经典AMS基因，如LYK3、DELLA、NPF4.5、NPF7.3等，这些基因即使在无AMF时也被诱导，并在AMF接种后进一步上调，说明SPD1预激活了AM相关转录模块。

加权基因共表达网络分析（WGCNA）识别出8个共表达模块，其中4个模块（粉红、棕色、红色、蓝色）与SPD1表达强相关。SPD1组成型激活了蓝色（核心细胞功能）、黑色（部分MAPK信号和能量代谢）和粉红（脂质/脂肪酸合成）模块，同时增强AMF响应模块，表明SPD1通过协调共生相关基因、应激响应和激素信号，建立了一个整合发育和免疫通路的模块化转录框架。

2.4 SPD1组成型激活防御反应，增强对微生物信号的敏感性

SPD1诱导免疫相关通路，包括MAPK信号和转录因子（WRKY和MYC），以及 pathogenesis-related（PR）基因。RNA-seq和RT-qPCR证实，SPD1植株基线免疫组分表达升高，且经CO₈处理后，模式识别受体（SlLYK1、SlTRK1）、转录因子（SlAP2-1、SlWRKY37）和PR-10基因（SlPvr1-like 1/2）的诱导增强，表明在病原挑战前已建立组成型预免疫状态。

功能测定显示，SPD1株系对flg22和CO₈的活性氧（ROS）爆发显著增加。值得注意的是，共生信号分子CO₄也触发SPD1中增强的ROS，说明共生信号的组成型激活可重编程免疫响应性，使SPD1植株对病原和共生线索均过敏。这种持续免疫激活可能是SPD1株系中AM共生抑制的基础。

2.5 SPD1赋予广谱抗病性且无生长代价

病原挑战试验证实SPD1介导的免疫激活增强了对细菌性萎蔫病（Ralstonia solanacearumGMI1000）、细菌性斑点病（Pseudomonas syringaeDC3000）和真菌性萎蔫病（Verticillium dahliaeJR2）的抗性。SPD1株系在所有测试病原中表现出延迟症状发生、降低疾病严重度和减少病原定殖。持续的MAPK磷酸化伴随这些抗性表型，确认下游免疫信号激活。重要的是，这些增强的防御未检测到生长代价，突出了SPD1在作物改良中的潜在效用。

2.6 SPD1增强乙烯生物合成和信号传导，连接发育与免疫

SPD1（SPD1#10）在幼苗和成熟果实阶段强烈上调乙烯生物合成基因（SlACO1/3/4、SlACS1A/1B/2/3/4/6）。相应地，SPD1植株比野生型排放多31%–87.4%的乙烯，与加速果实成熟相关。乙烯信号组分（SlERFs、SlEILs）的中度增加也被观察到，表明乙烯生产和响应通路协调增强。这些数据说明SPD1通过乙烯介导的信号传导同时整合发育加速与免疫增强。

2.7 乙烯抑制逆转SPD1诱导的免疫和生长表型

用乙烯合成抑制剂AVG（氨基乙氧基乙烯基甘氨酸）处理降低了flg22触发的ROS爆发，并以剂量依赖方式恢复初生根生长，证明SPD1诱导的乙烯过量生产介导了增强抗病性和根发育抑制之间的权衡。

3 讨论

将豆科来源的自体激活离子通道SPD1导入番茄证明，单基因可重新配置非豆科作物的激素信号、免疫和发育时序。SPD1表达植株显示加速萌发、早熟和广谱抗病性，且无检测到的生长代价，这些特征使SPD1成为具有作物改良潜力的可转移分子开关。

SPD1通过激活乙烯生物合成协调调节共生抑制、免疫增强和发育重编程。异源表达SPD1上调ACO和ACS基因，增加乙烯生产，并启动保守的免疫-共生权衡。升高的乙烯促进早发育和增强抗病性，而组成型激活的豆科阳离子通道可能通过乙烯中心信号串扰影响免疫、共生和生长之间的资源分配。

乙烯作为SPD1多效效应的中心整合器出现。升高的乙烯生物合成连接发育加速与免疫预激活，但同时减少AM定殖。这与乙烯作为从枝菌根和根瘤共生的负调节剂的既定角色一致。发育表型，包括快速萌发、增强根生长和早开花，也与典型乙烯功能一致：其对抗ABA促进胚根伸长和萌发，而近期工作表明乙烯通过EIN3/EIL1介导的抑制开花阻遏物FLC加速开花。

尽管SPD1即使无真菌接种也诱导AM相关基因转录，但实际定殖受损。这与小麦中较弱的自体激活MtCNGC15等位基因增强AM定殖形成对比。SPD1更高的激活潜力可能将信号平衡转向免疫，代价是共生。这种权衡反映了植物-微生物互作中的广泛进化原则，其中有益微生物的成功定殖常需要植物免疫的抑制。

SPD1通过维持MAPK激活、升高基线防御基因表达和对激发子（如CO₄）过敏来破坏这种平衡。持续的PR-10表达可能有助于AM抑制，与PR蛋白抑制菌根化的证据一致。总体而言，SPD1使植株处于组成型“防御预激活”状态，赋予强病原抗性但损害有益共生互作。

总之，SPD1在番茄中的表达突出乙烯作为连接共生离子通道活性与发育加速和免疫增强的中心枢纽。从应用角度看，工程化此类自体激活通道——通过异源表达或CRISPR/Cas9介导的内源同源物编辑——为生产具有广谱抗病性和优化生长周期的作物提供了有前景的策略。编辑原生基因可能通过避免转基因引入简化监管接受，但需要精确调制以最小化意外多效效应。未来努力可聚焦微调SPD1活性或调整乙烯输出，以平衡免疫与有益共生，实现持久病原保护而不损害互利互作。