华中农业大学张俊红团队揭示番茄侧枝生长的核心机制及应用前景
番茄（Solanum lycopersicum）是全球最重要的蔬菜作物之一，植物株型是决定番茄产量的关键因素，合理的侧枝分布能提升光合效率、增加结果数量，而侧枝过度生长则会消耗大量养分，导致果实变小、产量下降。长期以来，科研界对番茄侧枝生长的分子调控机制研究不够深入，尤其是miR156a-SPL13模块调控侧枝发育的下游通路尚不明确，缺乏精准调控番茄株型的有效分子策略，制约了高产优质番茄品种的培育进程。为此，华中农业大学研究团队聚焦番茄侧枝生长调控的核心难题，开展了系统性的分子机制与应用研究，取得了突破性成果。2026年4月10日，华中农业大学张俊红团队在国际植物学顶级期刊《Horticulture Research》上发表（最终校稿还未提交）了题为“SPL13 controls tomato lateral branch outgrowth by regulating brassinosteroid biosynthesis and signal transduction”的研究论文。研究揭示了miR156a靶向的转录因子SlSPL13通过直接结合BRC1b和DWF基因的启动子，正向调控BRC1b表达、负向调控DWF表达，进而精细调控番茄侧枝生长；敲除DWF基因或过表达BRC1b基因可挽救spl13突变体侧枝过度生长的表型，且SlSPL13通过负调控油菜素内酯（BR）生物合成参与侧枝发育调控，为番茄株型改良提供了全新分子靶点。研究首先检测了过表达miR156a（miR156a-OE）、过表达SPL13（SPL13-OE/flag）以及CRISPR介导的SPL13敲除（CR-spl13）三种转基因番茄植株的侧枝发育表型，发现SPL13-OE/flag植株的侧枝生长受到抑制，而miR156a-OE和CR-spl13植株的侧枝生长显著增强；5周龄幼苗中，miR156a-OE和CR-spl13植株的侧枝总长度是野生型（WT）的3倍，SPL13-OE/flag植株的侧枝总长度仅为野生型的1/3，由此证实SPL13是番茄侧枝生长的关键调控因子，对侧枝生长具有抑制作用。过表达miR156a、过表达SPL13及SPL13敲除的侧枝表型基于已知BRC1b和DWF基因对番茄侧枝生长的调控作用，结合SPL13的转录因子特性，研究检测了不同植株中BRC1b和DWF的表达水平，结果显示，CR-spl13植株中BRC1b表达显著降低、DWF表达显著升高，SPL13-OE植株则呈现相反的表达模式，表明miR156a-SPL13模块可调控BRC1b和DWF基因的表达，进而影响番茄侧枝发育。SPL13过表达株系和SPL13敲除突变体系中BRC1b和DWF基因的相对转录水平为验证SPL13是否直接结合BRC1b和DWF的启动子，研究先分析发现BRC1b启动子含8个GTAC顺式元件，DWF启动子含5个GTAC顺式元件，随后通过酵母单杂交（Y1H）实验，证实SPL13可结合BRC1b和DWF启动子的所有核心片段；电泳迁移率变动分析（EMSA）进一步表明，SPL13可特异性结合含GTAC元件的DNA片段，GTAC元件突变后结合作用消失；双荧光素酶（dual-LUC）实验显示，SPL13可增强BRC1b启动子活性、抑制DWF启动子活性；ChIP-qPCR实验在体内验证了SPL13与两个基因启动子核心区域的结合关系，综上证实SPL13可通过结合GTAC顺式元件，双向调控BRC1b和DWF的表达。为明确BRC1b和DWF在SPL13下游的调控作用，研究在spl13突变体背景下，构建了DWF敲除（CR-dwf）和BRC1b过表达（BRC1b-OE/flag）株系，结果显示，dwf spl13双突变体的侧枝总长度显著短于spl13单突变体，BRC1b-OE/flag spl13植株的侧枝总长度也显著短于spl13单突变体，且BRC1b-OE/flag株系中BRC1b表达水平显著高于spl13突变体，证实BRC1b和DWF均为SPL13的下游靶基因，敲除DWF或过表达BRC1b可挽救spl13突变体的侧枝过度生长表型。spl13背景下BRC1b-OE/flag株系的侧枝表型为探究SPL13是否通过调控油菜素内酯（BR）生物合成影响侧枝生长，研究检测了野生型、DWF-OE和spl13植株中BR及其衍生物（BL、TY、CS、6-DCS）的含量，发现spl13突变体中活性最强的BR（BL）含量显著升高，BR合成前体（TY、6-DCS）含量降低，DWF-OE植株中BL含量升高、CS含量高于野生型，证实SPL13可负调控番茄BR的生物合成，进而调控侧枝生长。SPL13对番茄油菜素内酯生物合成和信号转导的调控研究明确了miR156a-SPL13-DWF/BRC1b调控通路调控番茄侧枝生长的分子机制，首次证实SPL13可通过直接结合BRC1b和DWF的启动子，双向调控两个基因的表达，同时负调控BR生物合成，进而精细调控番茄侧枝发育。填补了番茄侧枝发育分子调控机制的空白，为番茄株型改良提供了全新的分子靶点和技术策略，利用CRISPR/Cas9技术敲除DWF或过表达BRC1b，可精准控制侧枝生长，且不影响番茄其他农艺性状，实现“控侧枝、保产量”的目标。此外，miR156a-SPL13模块在多种作物中均有存在，其研究成果可广泛应用于水稻、玉米等多种作物的株型改良，对推动设施蔬菜和粮食作物的高产优质育种具有重要的理论指导和实践应用价值。论文来源：https://doi.org/10.1093/hr/uhag007
