MADS-box转录因子在植物生殖发育中的作用已经被详细揭示，但其在生长发育以及对生物和非生物胁迫的响应中作用尚未得到充分研究。年9月，重庆大学生物工程学院番茄分子生物学重点实验室在PlantScience发表了一篇题为“OverexpressionofSlMBP22inTomatoAffectsPlantGrowthandEnhancesTolerancetoDroughtStress”的研究论文，阐述了MADS-box转录因子SlMBP22在番茄调控植物结构和耐旱性中的重要作用。
研究结果
作者首先将SlMBP22与拟南芥和矮牵牛中其他典型的MADS-box蛋白比对，发现SlMBP22含有一个M-I-K-C蛋白结构，表明SlMBP22是一个典型的MADS-box家族蛋白(图1A)。系统发育分析表明，SlMBP22属于MADS-box转录因子的Bsister(Bs)亚家族(图1B)。
对SIMBP22在野生型番茄不同组织和器官中的表达模式进行分析。如图2A所示，SlMBP22在根、叶、花和果实中均有表达，但在茎中不表达。并且SlMBP22在花中表达量最高，在果实和根中表达量适中，在其他组织中表达量相对较低。表明SlMBP22可能参与了花、果实和根的发育。随后作者构建了5个SlMBP22-OE过表达转基因株系，并检测所有转基因和野生型植株中SlMBP22的转录水平，发现在花中转基因株系中SlMBP22的表达水平均高于野生型（图2B）。因此选择这些过表达的转基因系用于进一步研究。这5个过表达系(35S:SlMBP22)产生了肉眼可见的表型，包括矮化和较小的复叶(图2C，D)。经测量发现转基因植株的株高、成熟复叶长、叶片大小及面积等均小于野生型植株（图2E-H）。
由于SlMBP22的超表达株系表型类似于生长素或GA处理的相关表型，作者推测SlMBP22过表达对植物生长发育的影响可能与生长素和赤霉素调控的改变有关，因此研究了野生型和SlMBP22-OE中16个基因的相对转录水平。
如图3A所示，GA生物合成途径早期的两个基因KS和KAO在野生型植株和转基因植株中表达无显著差异，GA20ox1、GA20ox2、GA20ox3和GA3ox14个基因中，发现GA20ox1的表达没有显著差异，而其他3个基因在转基因植株和野生型植株之间表达有较大变化。GA20ox2的mRNA的水平在转基因株系中增加，编码GA受体的GID1b-2和GID2与编码DELLA蛋白的GAI在OE系中的表达水平分别显著下调和上调（图3B）。OE系中生长素相关基因和三个生长素生物合成基因（ToFZY2、ToFZY5和ToFZY6）、生长素反应基因（ARF3）、两个Aux/IAA转录因子基因（IAA15和IAA29）和生长素转运蛋白基因（LAX3）的转录积累在顶端分生组织中的表达量均增加，而编码PIN植物生长素外排转运蛋白的PIN5在OE系中表达降低（图3C，D）。最后测量了内源性IAA和GA3的含量，结果表明SlMBP22-OE中IAA的含量显著降低，而GA3含量却升高了（图3E，F）。所有以上结果表明，GA和植物生长素可能在SlMBP22过表达植物中被破坏。?Tips:GA20oxs是重要的生物合成酶，决定了许多物种中GA的浓度；GA3oxs在最后一步发挥作用以产生具有生物活性的GA。
与野生型植株相比，SlMBP22-OE植株的叶片呈现出较深的绿色(图4A)，通过测定总叶绿素含量发现，OE株系拥有更高的叶绿素水平(图4B)。此外，解剖分析表明SlMBP22-OE株系叶片中叶肉细胞的密度比野生型植株更高(图4C)。为探讨叶绿素水平的增加是否能通过提高转基因植株的光合性能而使糖积累增加，对转基因株系和野生型叶片的淀粉和可溶性糖水平进行了测定。如图4D和4E所示，SlMBP22过表达株系叶片淀粉和可溶性糖含量高于野生型植株。这些结果表明，SlMBP22正向调节番茄叶片淀粉和可溶性糖的水平。
为进一步了解SlMBP22在非生物胁迫中的作用，分析了脱水和盐胁迫下野生型植株中SlMBP22的表达模式。脱水处理后，SlMBP22的积累明显上调(图5A)。因此，SlMBP22可能参与了番茄的干旱(脱水)反应。首先，通过干旱胁迫试验研究WT、OE17和OE12植株种子的抗旱性。发现干旱胁迫显著抑制了芽和主根的伸长，但OE系芽和主根长度比野生型植株长(图5B-D)。OE系幼苗侧根数量较多，与主根长度一致(图5B，E)。
随后对35天大的转基因和野生型植株进行了干旱处理，方法是禁水3周。如图6A所示，2周后野生型植株表现出严重的脱水症状，而OE系植株保持正常的充盈，仅表现出轻微的损伤。3周后，野生型植株的所有叶子都严重卷曲，甚至有一些植株死亡，而OE系植株受到的影响较小，仅表现出轻度的胁迫症状。在正常条件下，WT和OE系植株的相对含水量（RWCs）相似，在处理后的2周和3周，野生型植株和OE系的RWCs均降低了，但OE系的水平明显高于WT（图6B），表明SlMBP22的上调减缓了干旱胁迫下转基因植株的干燥。在脱水胁迫期间，在每个脱水时间点，过表达植株中检测到的叶片水分流失率均比野生型植株低（图6C）。此外，还测定了叶片的气孔导度，与干旱胁迫处理后的野生型植株相比，转基因植株的气孔导度要高得多（图7）。因此与野生型植株相比，SlMBP22-OE植株在干旱胁迫时更能保持水分。
为了进一步验证其抗旱表型，测定了H2O2、MDA、可溶性糖和脯氨酸等4个生理指标。如图8A和B所示，在干旱胁迫的2周和3周，所有植株的H2O2和MDA均明显升高，但野生型植株的H2O2和MDA水平均高于SlMBP22-OE株系。但在干旱条件下，转基因植株的可溶性糖和脯氨酸含量显著增加，而野生型植株的可溶性糖和脯氨酸含量略有增加，但低于转基因植株(图8C，D)。这些生理调节在一定程度上促进了转基因植株抗旱性的增强。
为探讨SlMBP22介导的抗旱分子机制，利用qRT-PCR技术对植物胁迫相关基因转录进行了分析。检测了野生型和OE株系中脯氨酸合成酶关键基因P5CS、抗坏血酸过氧化物酶(APX)基因APX2、编码番茄抗坏血酸(AsA)合成酶的GME2以及乙烯响应性LEA蛋白ER5在野生型植株中和干旱胁迫下的表达情况。除APX2外，这些被选择的基因在SlMBP22-OE转基因株系中的量均高于非转基因株系(图8E-H)。正常条件下APX2的表达量在野生型植株与SlMBP22-OE植株之间无显著差异，但在干旱处理后过表达植株的表达量高于野生型(图8F)。这些结果进一步表明SlMBP22基因可能通过对番茄这些胁迫相关基因的转录作用参与干旱胁迫响应。
基于SlMBP22的特征和SlMBP22-OE转基因表型，搜索RNA-Seq数据库，选择15个DEGS，包括4个叶绿体发育和叶绿素相关基因、2个淀粉代谢和蔗糖代谢相关基因、5个激素相关基因和4个应激响应相关基因进行qRT-PCR检测，结果与转录组数据一致(图9)。
评述
该研究发现，一种新的MADS-box转录因子SlMBP22在农艺性状的调控、对非生物胁迫的耐受性以及对生长素和赤霉素信号转导的调控方面均具有重要的功能，这有助于进一步了解植物生长发育过程中的激素串扰，并为番茄抗旱工程提供重要信息。但其作用的分子机制还不清楚，有待进一步阐明。
尤其值得注意的是，该转基因株系表现出明显赤霉素缺失表型，但激素测定与代谢基因表达却表现出反馈调控特征（激素水平高，降解加速，受体失活，抑制子超表达等），说明赤霉素信息传导通路很可能被阻断，遗憾的是本文中相关分析只是浅尝辄止。MADS基因与赤霉素通路间的交互作用若被稍加注意，可能会有更高水平的发现。
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