生物技术通报 | 山东农业大学李传友/孙传龙团队—番茄VPE基因家族鉴定和抗逆功能分析

作为液泡内重要的半胱氨酸蛋白酶，VPE蛋白在植物生长发育与环境应答中发挥着关键作用。尽管在拟南芥等模式植物中其家族成员与功能已得到初步阐明，但在番茄这一重要果蔬作物中，该基因家族仍缺乏系统性解析。本研究在番茄全基因组水平完成了SlVPE基因家族的全面鉴定与生物信息学分析，系统绘制了其在组织发育与非生物胁迫下的表达图谱，并根据野生种醋栗番茄和栽培番茄之间的序列差异，在SlVPE基因启动子区或基因下游开发了多态性分子标记，为深入理解该家族在番茄中的功能分化奠定了基础。

番茄基因组拥有13个SlVPE基因，其数量远超拟南芥，这可能与番茄经历的基因组复制事件有关，并为其功能多样化奠定了遗传基础。在染色体分布上，12个SlVPE基因聚集于8号染色体并形成基因簇，且基因簇内存在多对串联重复基因，仅SlVPE5单独定位于12号染色体。这种簇状分布在茄科内部（番茄与马铃薯）高度保守，但与拟南芥等远缘物种共线性很低，这与前期关于基因家族进化的认知相一致，即串联复制是驱动近缘物种间基因家族扩张和新功能产生的重要机制。系统进化分析将SlVPE划分为种子型（SlVPE4）、营养型（SlVPE3、SlVPE5）和种皮型（其余10个成员）3大亚家族。与拟南芥相比，番茄种皮型VPE亚家族成员数量显著扩张，共鉴定出10个成员，且除SlVPE2外均含有该亚家族特有的Motif11。这一特性暗示该亚家族内部可能发生了进一步的功能亚分化，其调控功能可能远超拟南芥δVPE所介导的种皮发育性PCD。推测这一现象可能与番茄特有的果实发育、次生代谢物积累或更精细的环境信号整合有关。此外，互作分析结果暗示，SlVPE蛋白可能通过与PLCP等节点蛋白被整合至同一调控网络中；且由于不同SlVPE蛋白之间未预测到直接互作，其潜在协同作用可能通过共享互作蛋白间接实现，而非形成功能复合体。

本研究通过整合转录组数据与RT-qPCR数据，构建了SlVPE基因的动态表达图谱，为推测其功能提供了重要依据。作为组成型高表达基因，SlVPE3和SlVPE5在根、分生组织等多种营养器官及果实发育后期大量表达，这与拟南芥中营养型VPE（αVPE和γVPE）参与基础代谢、衰老及胁迫相关PCD的功能相一致，表明SlVPE3和SlVPE5可能是维持基础细胞程序性死亡和液泡蛋白组成型加工等核心生理过程的持家基因。SlVPE2和SlVPE7在果实发育早期特异性高表达，随后在成熟期急剧下降。这与果实早期细胞快速扩张以及防御机制建立的时期相一致，暗示两者可能参与调控早期果实的形态建成或抗性的建立。同时，结合前期研究发现的SlVPE5负调控果实糖度积累的功能，本结果暗示SlVPE家族成员可能通过差异性表达，精密调控果实发育不同阶段的液泡加工事件（如糖代谢酶活化等），从而共同影响番茄果实发育和品质形成。这一发现将VPE的功能从传统的种子贮藏蛋白加工拓展到了果实发育调控领域，为番茄风味改良提供了新的基因资源。

在非生物胁迫响应中，SlVPE基因整体呈现出以“表达抑制”为主的调控模式。这与在许多逆境下诱导表达的抗逆基因家族不同，可能反映了VPE蛋白功能的特殊性，逆境下过度的液泡蛋白酶活性可能引发有害的细胞降解，因此对其表达进行抑制可能是一种保护性策略。另一方面，SlVPE3在干旱、盐及盐碱混合胁迫下均被强烈诱导；SlVPE7被碱胁迫特异性诱导；SlVPE8则主要响应温度胁迫。这些结果暗示，番茄SlVPE家族不同成员可能通过感知不同的胁迫信号，启动特定的信号通路，从而实现对环境胁迫的特异性响应和应答。此外，序列比对发现，野生种醋栗番茄和栽培番茄在SlVPE基因及启动子区存在丰富的自然变异，特别是在SlVPE6启动子区存在一个长达4.8 kb的插入/缺失变异，该变异可能对基因的转录调控具有重要影响。

在系统鉴定番茄SlVPE基因家族的基础上，本研究进一步针对关键家族成员开展了分子标记开发工作。所设计分子标记均位于基因侧翼区，为进一步分析这些区域的序列变异是否影响基因表达或功能提供了切入点。此外，分子标记可直接应用于栽培番茄与野生种质的快速基因型鉴定，在种质资源评价和杂交后代筛选中有实际应用价值。

基于本研究对SlVPE基因家族的系统鉴定与表达分析，后续将重点开展以下研究：首先，针对SlVPE3、SlVPE5、SlVPE7、SlVPE8等基因，利用基因编辑与遗传转化手段开展功能验证，明确其在番茄果实发育、干旱、盐碱及温度胁迫应答中的具体生物学功能；其次，系统分析SlVPE基因在番茄驯化与改良过程中的序列变化、单倍型演变规律及选择压力特征等，揭示SlVPE基因家族在番茄驯化过程中的演化规律；基于本研究开发的4个多态性分子标记，扩大种质资源群体，明确SlVPE基因序列变异与抗逆表型的相关性；最终，利用这些标记开展番茄种质资源的基因型鉴定与筛选，为番茄抗逆分子标记辅助育种提供可直接应用的工具。