《Journal of Genetics and Genomics》：SlbHLH36-
SlAAP8 alleviates heat-induced pollen abortion by regulating amino acid metabolism in tomato
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番茄高温胁迫下SlAAP8与SlbHLH36协同调控氨基酸代谢及花粉活力的分子机制研究。
丁向宇|强琪|徐国|赵文宇|张忠辉|王超|欧旭敏|杨杰|王守双|杨军
中国海南省三亚市，海南大学育种与繁殖学院热带作物育种国家重点实验室，572025
摘要
在环境胁迫下，植物会动态地重新编程氨基酸代谢和长距离运输，以促进养分的有效重新分配。然而，番茄中的氨基酸转运蛋白仍知之甚少，尤其是在其功能作用、转录调控以及对热胁迫下花粉生育力的影响方面。在这项研究中，通过基于代谢物的全基因组关联研究（mGWAS）鉴定出一种氨基酸转运蛋白——氨基酸渗透酶8（SlAAP8），该蛋白与多种氨基酸的含量显著相关。SlAAP8主要在番茄花中表达，并表现出广谱的氨基酸转运活性。SlAAP8的过表达（SlAAP8-OE）可促进雄蕊组织中的氨基酸积累，并在高温条件下提高花粉的存活率。此外，我们还鉴定出一个转录因子SlbHLH36，它可以直接结合SlAAP8启动子中的E-box（CANNTG）基序并激活其转录。热胁迫显著上调了SlbHLH36和SlAAP8的表达，从而通过调节氨基酸代谢和抗氧化活性以及减少丙二醛（MDA）的积累来提高高温条件下的花粉存活率。这些发现表明，SlbHLH36-SlAAP8模块通过调节氨基酸代谢和清除活性氧（ROS）来提高番茄花粉在热胁迫下的存活率，为在全球变暖背景下提高作物产量提供了潜在途径。
引言
番茄（Solanum lycopersicum）是一种具有经济价值的园艺作物，既可作为新鲜农产品，也因其丰富的营养成分（包括必需氨基酸、类胡萝卜素、黄酮类、脂质和萜类化合物）而受到重视（Zhu等，2018；Cao等，2024；Qiang等，2024）。然而，作为一种固着植物，番茄不可避免地会面临各种环境胁迫，其中热胁迫是全球作物生产力的主要限制因素（Chaturvedi等，2021）。温度升高会干扰植物的有性繁殖，降低生育力和产量（Ouonkap等，2024；Qian等，2025）。当植物在开花期受到高温影响时，花粉萌发和花粉管伸长会受到抑制，严重影响双受精过程（Giorno等，2010；Begcy等，2019；Wang等，2025）。因此，在高温条件下确保花粉的正常发育以及减轻热胁迫对花粉存活率的负面影响，对于维持番茄的产量和质量至关重要。
氨基酸不仅是蛋白质合成的基本构建块，还作为重要的信号分子和渗透调节剂，在植物对非生物胁迫的响应中起着核心作用（Galili等，2016；Heinemann和Hildebrandt，2021；Hosseinifard等，2022；Huang等，2024）。例如，脯氨酸对于生殖发育至关重要，它在花粉成熟过程中既作为能量来源也作为氮源，并调节花粉管的伸长以及随后的授粉和受精过程（Verbruggen等，1996；Zdunek-Zastocka等，2017；Ghosh等，2022；Hosseinifard等，2022）。此外，脯氨酸通过维持细胞渗透平衡和清除活性氧（ROS）来增强耐热性，从而保护花粉颗粒免受热损伤（Chen等，2016；Guo等，2020a）。除了脯氨酸外，其他氨基酸如γ-氨基丁酸（GABA）也对耐热性有显著贡献。GABA迅速代谢为琥珀酸，随后进入三羧酸（TCA）循环，从而增强植物的耐热性（Hijaz和Killiny，2019）。这些发现为利用氨基酸来缓解番茄的热胁迫提供了理论基础。
然而，氨基酸的保护作用高度依赖于其在植物体内的有效分配和稳态。氨基酸在植物器官间的转运对于抵御不良环境条件至关重要（Yao等，2020）。重要的是，氨基酸的时空分布不是由被动扩散控制的，而是由专门的膜转运蛋白精确调节的（Dinkeloo等，2018）。目前，植物氨基酸转运蛋白被分为三个主要家族：氨基酸转运蛋白（AAT）超家族、氨基酸-多胺-胆碱（APC）转运蛋白超家族以及通常多种氨基酸进出转运蛋白（UMAMIT）超家族（Schwacke等，1999；Cosco等，2019；Omari Alzahrani，2021；Zhao等，2021；Wang等，2022；The等，2024）。氨基酸转运蛋白在植物胁迫响应中的作用越来越受到研究关注。例如，大豆的GmPROT1和GmPROT2通过介导GABA的转运来增强耐旱性和耐盐性（Guo等，2016）。番茄的SlAAP6介导支链氨基酸的吸收和运输，促进番茄生长和耐盐性（Qiang等，2024）。其中，属于AAT超家族的氨基酸渗透酶（AAP）亚家族已经通过酵母突变体和Xenopus卵母细胞中的表达研究和电生理分析证实能够转运多种氨基酸（Okumoto等，2004；Lee等，2007；Taylor等，2015；Santiago和Tegeder，2016；Fang等，2021）。然而，AAP在番茄中的功能作用及其在胁迫响应中的分子机制仍不完全清楚，特别是在高温条件下的花粉生育力方面。
在这项研究中，mGWAS表明SlAAP8与脯氨酸、谷氨酸和赖氨酸的含量显著相关，并主要在花器官中表达。功能测定显示SlAAP8转运多种氨基酸并促进其在花中的积累。在热胁迫下，SlAAP8过表达株（SlAAP8-OE）比野生型（WT）植物的花粉存活率更高。通过整合mGWAS和共表达分析，鉴定出转录因子SlbHLH36作为SlAAP8的上游调控因子。SlbHLH36直接结合SlAAP8启动子中的E-box基序，从而激活其转录。这一调控模块调节番茄花中的氨基酸稳态，并通过增强ROS的清除来缓解热诱导的花粉数量和存活率的下降。总体而言，这些结果强调了氨基酸转运介导的稳态在生殖耐热性中的重要性，并为培育耐热番茄品种提供了潜在的遗传靶点。
部分摘录
SlAAP8是与氨基酸含量相关的关键基因位点
为了研究番茄群体中氨基酸含量变异的遗传基础，利用来自261个样本的氨基酸表型数据和基因组数据进行了mGWAS分析，其中包括184个S.lycopersicum（BIG）、56个S.lycopersicum var. cerasiforme（CER）和21个S. pimpinellifolium（PIM）样本（表S1）。使用Bonferroni校正后的显著性阈值P = 5.44E-6（Zhu等，2018），在染色体上鉴定出几个与脯氨酸含量相关的候选基因位点
SlAAP8和SlAAP6的功能冗余性和定位
暴露在高于最佳温度范围的环境中会对植物的生殖和营养生长产生不利影响，导致高温条件下的作物产量大幅下降（Ouonkap等，2024；Qian等，2025）。氨基酸代谢是植物对各种胁迫（包括热胁迫）响应的关键生理过程，这一过程主要依赖于由专门的氨基酸转运蛋白介导的组织特异性氨基酸转运。
植物材料和组织制备
番茄（Solanum lycopersicum cv. MicroTom）种子来自PanAmerican SeedTM。MicroTom植物在气候控制生长室中培养，光照周期为16/8小时，温度为25°C。选择具有五到六片展开的真叶的四周龄植物用于收集根（R）、幼叶（YL）和成熟叶（ML）。六到七周龄、开放花朵超过50%的植物用于开花期研究（IMF、MF、F1-F6）。
未引用的参考文献
Guo等，2020；Hao等，2025；Li等，2025；Omari，2021；Shi等，2023；Sun等，2020；The等，2024；Wang等，2024；Wu等，2023；Zhu等，2023。
数据可用性
本研究生成的所有数据均包含在本文和补充文件中。
CRediT作者贡献声明
丁向宇：撰写 - 原稿撰写、实验设计、数据分析、可视化。强琪：实验设计、资源获取。徐国：实验设计。赵文宇：数据可视化。王超和欧旭敏：数据分析、软件应用。张忠辉：实验设计、数据分析。杨杰：实验设计、监督、撰写 - 审稿与编辑。王守双和杨军：撰写 - 审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思、资金申请。
致谢
我们衷心感谢山东农业大学的Chuanyou Li教授提供pBI121和pTX041载体。同时，我们也感谢弗吉尼亚理工学院的Guillaume Pilot教授提供22Δ10α和23344c酵母菌株，以及明斯特大学的J?rg Kudla教授提供内质网标记蛋白OFP::HDEL、质膜标记蛋白OFP::CBL和核标记蛋白PIF4::mCherry。
