SlSCL3在番茄萜烯生物合成和腺毛发育的调控中的作用

　　2021年6月18日，The Plant Journal在线发表了德国莱布尼茨植物生物化学研究所所长Alain Tissier教授为通讯作者的题为“The Scarecrow-Like Transcription Factor SlSCL3 Regulates Volatile Terpene Biosynthesis and Glandular Trichome Size in Tomato (Solanum lycopersicum)”的研究论文，中国农业科学院烟草研究所特聘研究员杨长青为为论文第一作者。该研究发现GRAS转录因子家族成员SlSCL3在番茄挥发性萜烯生物合成和腺毛发育的复杂调控中发挥重要作用。

　　研究背景

　　VI型腺毛是番茄（Solanum lycopersicum L.）叶片、茎、幼果和花朵表面最丰富的腺毛类型，能够产生并储存挥发性单萜和倍半萜混合物。这些化合物在植株与病原体和食草昆虫的相互作用中起着重要作用。尽管目前已对萜烯合酶在番茄挥发性萜烯生物合成中的作用进行了全面研究，但对其转录调控的分子机制还缺乏了解。

　　主要结果

　　根据现有转录组数据分析筛选在腺毛中过度表达的转录因子，并通过病毒诱导的基因沉默将番茄植株中的候选基因进行下调表达。随后对沉默植株叶片的己烷提取物进行GC-MS分析，结果发现GRAS蛋白家族成员scarecrow-like转录因子SlSCL3的沉默表达导致番茄叶片中挥发性单萜和倍半萜烯含量显著降低，且萜烯合酶编码基因SlTPS5和SlTPS12的表达水平也显著降低。表明SlSCL3可能在挥发性萜烯生物合成的转录调控以及番茄VI型腺毛的发育过程中发挥功能。

　　进一步功能鉴定发现，SlSCL3过表达株系叶片中单萜和倍半萜烯含量较对照明显提高，SlTPS5和SlTPS12以及挥发性萜类前体生物合成基因的表达水平相应增加。VI型腺毛是挥发性萜烯生物合成和储存的关键位点，因此对植株表面VI型腺毛的密度和形态进行观察以解析SlSCL3对腺毛发育的影响。结果显示，SlSCL3过表达植株叶片和茎上的腺毛体积明显增大，而腺毛密度则无明显变化。利用CRISPR-Cas9技术构建并获得了SlSCL3敲除突变体，其挥发性萜烯含量、腺毛表型以及相关基因的表达水平均与过表达株系检测结果相反。而值得注意的是，与野生型和纯合突变体相比，杂合突变体（Slscl3-1+/-和Slscl3-2+/-）却表现出与过表达植株相似的表型，即显著升高的挥发性萜烯含量和增大的腺毛体积（图1）。

　　图1. 杂合Slscl3突变体显示出与过表达植株相似的表型

　　为解析SlSCL3的调控机制，GUS活性分析显示，SlSCL3共表达可使上述前体生物合成途径基因和TPSs基因启动子的转录显著增加。但酵母单杂结果显示SlSCL3与这些基因启动子之间并无结合活性，同时通过酵母双杂也未检测发现其与已知萜类化合物代谢调控因子的互作。

　　经qRT-PCR得以确认，杂合突变体与过表达株系相似表型的产生是由于SlSCL3转录的上调引起的。此外，SlSCL3转录本水平显著高于Slscl3-1/2纯合突变体。进一步检测发现，尽管在过表达植株中SlSCL3的整体转录水平较对照显著增加，但其内源转录水平却有约50%的下调。GUS活性结果显示，共表达SlSCL3导致其自身启动子转录活性降低了大约40%。有趣的是，GUS活性在纯合Slscl3突变体中显示增加，而在过表达和杂合株系中显示降低（图2），表明SlSCL3是一种自我调控转录因子，能够抑制其自身启动子的转录。

　　图2. SlSCL3是一种自身抑制因子

　　作者介绍

　　杨长青，特聘研究员，中国农业科学院青年英才所级人才。2010年毕业于中国科学院大学，2010-2017年在中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所工作,2017-2020年获洪堡基金会资助在德国莱布尼茨植物生物化学研究所工作，2020年至今在中国农业科学院烟草研究所工作。长期从事植物分子生物学与天然产物代谢方面研究，发现了多种植物萜类化合物生物合成途径以及调控植物腺毛发育的关键调控因子。先后在PNAS、Nature Communications、Plant Biotechnology Journal、Frontiers in Plant Science等学术期刊发表多篇具有重要参考价值的论文。同时承担和参与多个国家自然科学基金、转基因生物新品种培育重大专项、国家重点基础研究发展计划（973计划）项目。