在番茄設(shè)施生產(chǎn)中，低溫是冬季與早春季節(jié)最關(guān)鍵的限制因素。低溫直接導(dǎo)致成苗質(zhì)量差、整齊度低，延誤最佳定植期，同時額外補苗、加溫也會顯著推高生產(chǎn)成本。因此，克服低溫脅迫是實現(xiàn)番茄設(shè)施安全生產(chǎn)與效益提升的核心環(huán)節(jié)。繼今年初在《Advanced Science》上發(fā)表褪黑素在番茄中的受體鑒定成果后，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院郭仰東研究團隊近日在知名期刊《The Plant Journal》上發(fā)表了題為“Melatonin regulates tomato cold tolerance through SIPMTRs-SICaM6-SIICE1 signaling cascade”的研究論文。該研究系統(tǒng)闡明了褪黑素通過“SIPMTRs–SICaM6–SIICE1”信號級聯(lián)通路參與番茄的耐冷性調(diào)控，不僅加深了對褪黑素作為信號分子作用機制的認識，也為提高蔬菜冬季育苗質(zhì)量提供了重要指導(dǎo)。

該論文在前期鑒定出的番茄褪黑素受體SlPMTR1/2基礎(chǔ)上，進一步揭示了褪黑素作為信號分子在調(diào)控番茄耐冷方面從受體感知到轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要功能。當(dāng)位于細胞膜的SIPMTR1/2蛋白感知到褪黑素信號，會啟動下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，借由第二信使鈣離子信號通路激活I(lǐng)CE1-CBF轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路，顯著提升番茄的耐冷能力。Ca2+作為一種通用的第二信使，在植物冷誘導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠以SIPMTR1/2依賴方式促進番茄在冷刺激下的鈣離子內(nèi)流，并上調(diào)環(huán)核苷酸門控通道SICNGC的表達，放大鈣信號。缺失功能的slpmtr1/2突變體在低溫下出現(xiàn)嚴重萎蔫和葉片卷曲，葉片中ROS與丙二醛（MDA）大量積累，整體耐冷性顯著降低。

鈣調(diào)蛋白CaM是植物體內(nèi)解碼鈣信號并激活冷應(yīng)答的關(guān)鍵成分，而番茄中鈣調(diào)蛋白SICaM6在細胞核中會抑制SIICE1的轉(zhuǎn)錄活性負調(diào)控植物耐冷性。該論文發(fā)現(xiàn)SIPMTR1/2能夠與SICaM6直接相互作用并將其“鎖”在細胞膜上，阻止其進入細胞核行使功能，而結(jié)合褪黑素后的SIPMTR1/2與SICaM6的互作強度會進一步增加。這使得SICaM6對SIICE1的抑制作用被有效解除，并能激活經(jīng)典的ICE1-CBF冷響應(yīng)通路。這一發(fā)現(xiàn)將褪黑素信號與植物中經(jīng)典的ICE1-CBF冷響應(yīng)通路直接連通。

該研究揭示了一條由褪黑素受體介導(dǎo)的完整的番茄耐冷信號通路“SIPMTRs–SICaM6–SIICE1”，將褪黑素感知與經(jīng)典冷脅迫響應(yīng)直接關(guān)聯(lián)。這一發(fā)現(xiàn)加深了我們對褪黑素生理功能的認知，為外源調(diào)節(jié)劑提高番茄耐冷能力提供了理論依據(jù)。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院在讀博士生劉穎和荊世瑞為該論文共同第一作者，張娜副教授和郭仰東教授為該論文共同通訊作者。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院許濤教授、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院郭巖教授在課題研究中給予了重要的材料和技術(shù)支持。該研究受到國家自然科學(xué)基金、北京市鄉(xiāng)村振興農(nóng)業(yè)科技項目、北京科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)-高精尖學(xué)科建設(shè)項目和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才培育計劃等項目的資助。