《Journal of Advanced Research》：Transcriptional repressor IAA15 negatively regulates picloram herbicide resistance by modulating glutathione metabolism in eggplant
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为解决茄子作物对合成生长素类除草剂氨氯吡啶酸(picloram)的抗性机制不明、缺乏有效分子育种靶点的问题，研究人员开展了对Aux/IAA基因家族的全基因组鉴定及功能研究。研究表明，SmIAA15在picloram处理下被显著诱导，并通过负向调控谷胱甘肽S-转移酶(GST)活性降低茄子抗性。该项研究首次揭示了Aux/IAA蛋白在picloram抗性中的负调控作用，为培育抗除草剂茄子品种提供了关键分子靶点，对可持续农业具有重要意义。
在农业生产的舞台上，杂草是令所有种植者头疼的“不速之客”。为了控制它们的生长，合成生长素类除草剂如氨氯吡啶酸(picloram)被广泛应用，它们通过模拟天然植物生长素的效应，干扰敏感植物的正常生长，导致其死亡。然而，与杂草同为植物的农作物，特别是像茄子这样的重要经济作物，也可能面临这类除草剂的伤害风险，尤其是在农田除草作业中难免会接触到的情况下。因此，理解并提高茄子自身对这类除草剂的耐受性，对保障作物安全和减少环境污染至关重要。茄子作为全球广泛种植的茄科蔬菜，其幼苗生长过程易受各种环境胁迫影响，其中包括除草剂胁迫。尽管已有研究表明，植物体内的Aux/IAA蛋白家族在响应生长素信号和介导环境胁迫（包括除草剂抗性）中扮演着重要角色，但对于茄子中具体有哪些Aux/IAA成员参与调控对picloram的敏感性，科学界仍知之甚少。针对这一关键知识空白，一项发表于《Journal of Advanced Research》的研究为我们揭开了答案。
为了系统探索这一科学问题，研究团队综合利用了生物信息学、分子生物学、生物化学和遗传学等多学科技术方法。研究人员首先对茄子基因组进行了全基因组范围的生物信息学挖掘，鉴定了茄子中全部的Aux/IAA家族成员。随后，通过RNA测序(RNA-seq)和定量反转录聚合酶链式反应(qRT-PCR)分析了这些基因在picloram处理下的表达谱。为了深入探究特定基因SmIAA15的功能，研究人员采用了多种技术：利用农杆菌介导的瞬时表达和稳定转化技术，分别在烟草和番茄中过表达了SmIAA15基因，并观察表型；利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术在茄子本生中敲低了SmIAA15的表达，以评估其功能缺失后的效应。此外，该研究还通过转录组学(KEGG通路)分析探寻了SmIAA15发挥功能的下游分子通路，并采用分光光度法测定了关键的解毒酶——谷胱甘肽S-转移酶(GST)的活性变化。研究所用的植物材料为从天津市某种业公司获得的茄子自交系TJ-01。
结果一：茄子Aux/IAA基因家族的鉴定与系统发育分析
研究人员通过生物信息学方法在茄子中鉴定出23个推定的Aux/IAA基因家族成员。系统发育分析将这些蛋白分为九个组，其中八个组包含茄子成员，暗示茄子可能丢失了第一组。这些SmIAA蛋白都包含四个特征性结构域，且在保守域I中存在LXLXLX抑制基序。这一结果为后续研究茄子Aux/IAA家族的进化与功能分化奠定了基础。
结果二：SmIAA15在picloram处理下被显著诱导
通过RNA-seq和qRT-PCR分析23个SmAux/IAA基因在picloram处理下的表达模式，研究人员发现多个基因的表达发生变化。其中，显示了一个热图，直观展示了基因表达谱的聚类情况。结果明确显示，SmIAA15的诱导上调最为显著和强烈，这提示SmIAA15可能在响应picloram胁迫中扮演着核心角色。
结果三：过表达SmIAA15降低烟草对picloram的抗性
为了验证SmIAA15的功能，研究人员首先通过亚细胞定位实验，证实了GFP标记的SmIAA15蛋白定位在烟草叶片的细胞核中，这与它作为转录调节因子的预测功能一致。展示了其核定位结果及过表达后的表型。进一步的瞬时过表达实验表明，在烟草叶片中过表达SmIAA15后，再用picloram处理，会导致叶片卷曲症状加剧，叶片曲率比显著高于对照，这证明SmIAA15的过表达增强了植物对picloram的敏感性，即降低了抗性。
结果四：沉默SmIAA15增强茄子对picloram的抗性
为了从相反角度验证SmIAA15的功能，研究人员利用VIGS技术在茄子中沉默了SmIAA15基因。qPCR证实基因沉默成功。展示了沉默植株在不同浓度picloram处理下的表型。结果显示，与对照植株相比，SmIAA15沉默植株在picloram处理下受到的伤害显著减轻，尤其在低浓度处理下几乎不受影响。这进一步证实了SmIAA15是茄子对picloram抗性的一个负调控因子。
结果五：植物抗性增强与谷胱甘肽代谢通路紧密相关
为了阐明SmIAA15调控抗性的分子机制，研究人员对SmIAA15沉默株系进行了转录组分析。KEGG通路富集分析显示，在picloram处理下，SmIAA15沉默株系中与谷胱甘肽代谢相关的通路被显著上调。展示了这一关键发现。后续的qRT-PCR验证和酶活测定证实，在SmIAA15沉默株系中，多个谷胱甘肽S-转移酶(GST)相关基因的表达上调，同时GST酶活性也显著增强。这揭示了SmIAA15很可能通过负向调控GST介导的解毒通路来影响抗性。
结果六：稳定转基因SmIAA15过表达番茄植株表现出picloram诱导表型且GST活性降低
为了在稳定遗传背景下验证上述机制，研究人员构建了稳定过表达SmIAA15的转基因番茄植株。这些植株在未处理时就表现出叶片卷曲、开裂等类似picloram伤害的表型。展示了过表达植株的表型及GST活性测定结果。更重要的是，这些过表达株系的GST酶活性显著低于野生型对照。在施加不同浓度picloram后，过表达株系表现出更高的敏感性和更低的GST活性诱导水平，这与在茄子和烟草中的发现完全一致，形成了完整的证据链。
结论与讨论
本研究首次在茄子中系统鉴定了Aux/IAA基因家族，并深入揭示了SmIAA15作为一个关键负调控因子，通过调控谷胱甘肽代谢通路来影响茄子对合成生长素类除草剂picloram的抗性。具体而言，picloram胁迫会强烈诱导SmIAA15的表达，而高水平的SmIAA15蛋白会抑制下游谷胱甘肽S-转移酶(GST)的活性和相关基因的表达。GST是植物体内重要的解毒酶，能够催化谷胱甘肽与异源物质（如除草剂）结合，从而促进其降解或隔离。因此，SmIAA15的上调实际上削弱了植物自身的解毒能力，导致对picloram更敏感。反之，当SmIAA15被沉默时，对GST通路的抑制被解除，GST活性增强，从而提升了植物的解毒能力和除草剂抗性。形象地概括了这一调控通路。
这项研究的意义重大且深远。首先，在基础科学层面，它建立了一条从生长素信号感知（通过Aux/IAA蛋白）到下游解毒代谢（谷胱甘肽通路）的新型调控轴线，丰富了我们对于植物如何整合激素信号与环境胁迫响应的认知。其次，在应用层面，研究明确地将SmIAA15定位为一个潜在的分子育种靶点。通过基因编辑等技术敲低或失活SmIAA15，有望培育出对picloram具有更高耐受性的茄子新品种。这不仅有助于减少除草剂使用对茄子作物造成的药害风险，提升农业生产稳定性，也为开发环境友好型的杂草管理策略提供了新思路，符合可持续农业的发展方向。尽管研究揭示了SmIAA15通过GST通路发挥作用，但两者之间是否存在直接的转录调控关系，以及是否存在其他激素信号（如脱落酸ABA）的交叉对话，仍是未来值得探索的有趣问题。
