TOR信号与乙烯信号互作调控番茄果实成熟衰老的分子机制

Tomato fruit ripening and senescence is a high coordinating genetic process involving in multiple factors, in which ethylene plays a vital role. Our previous data indicated that there is a strong interplay between TOR and ethylene signaling pathway. However, the molecular mechanism is unknown. Through yeast two-hybrid screening assay, we found that SlTAP46, a downstream conserved effector of TOR signaling, showed putative interaction with SlACS2 which is an ACC synthase involved in ethylene biosynthesis. Accordingly, we speculate that the TOR signal may regulate the biosynthesis of ethylene through SlTAP46 interacting with SlACS2 and then affect fruit ripening and senescence. Based on existing research foundations, this project aims to reveal the regulatory relationship and molecular mechanism between TOR and ethylene signaling. Firstly, we will study the function of SlTAP46 on fruit ripening and senescence. Secondly, we will further confirm the interaction between SlTAP46 and SlACS2 and elucidate its mechanism of action. Finally, we will evaluate the effect of SlTAP46-SlACS2 interaction on biosynthesis of ethylene. Our project would establish a molecular link between TOR and ethylene signaling and our results will lay a theoretical foundation for further clarifying the complex regulatory network of fruit ripening senescence.

番茄果实成熟衰老是一个多因子高度协调的遗传调控过程，乙烯在这个进程中起着重要调控作用。我们前期的研究发现， 在果实成熟衰老过程中，TOR信号与乙烯信号通路间存在密切的调节关系，但具体的分子机制还不清楚。通过酵母文库筛选，发现TOR信号途径下游的保守因子SlTAP46能够与乙烯合成酶SlACS2存在可能的相互作用。因此，我们推测TOR信号可能通过SlTAP46调节乙烯的生物合成进而影响果实的成熟衰老。据此，本项目拟以SlTAP46-SlACS2为核心，阐明TOR信号与乙烯间的调控关系和分子机制。本项目拟从以下三个方面进行研究：（1）SlTAP46果实成熟衰老中的功能；（2）SlTAP46与SlACS2作用方式及分子机制；（3）SlTAP46与SlACS2互作对乙烯合成的影响。期望通过上述研究建立起TOR与乙烯信号之间的联系，研究结果将为深入阐明果实成熟衰老的复杂调控网络奠定理论基础。

果实成熟是一个复杂而有序的分子调控过程，涉及营养物质、能量和植物激素的合成与代谢，以及大量成熟相关基因的表达与调控，并受到发育因素和植物激素信号的调节。雷帕霉素靶标（TOR）作为主要调节因子来控制细胞生长和代谢，通过整合真核生物中的营养、能量和激素。但是到目前为止，它是否在果实发育和成熟过程中发挥功能尚不清楚。本研究证明了SlTOR通过协调番茄中的激素信号和代谢途径，在果实成熟中发挥负调节功能。并获得如下结果：1）SlTOR的时空表达模式分析发现，几乎在所有的组织中都能检测到SlTOR的表达，但在果实中，随着果实的成熟度而表达水平下降，表明SlTOR的表达水平与果实成熟呈负相关关系。2）通过雌二醇诱导的SlTOR基因沉默，发现SlTOR的抑制导致SlTOR es-RNAi转基因番茄幼苗明显的生长抑制表型。此外，SlTOR的抑制加速了果实的成熟，使成熟发育时间提前，并且伴随着叶绿素的叶绿素降解、类胡萝卜素的积累以及加速果实软化和衰老，表明SlTOR信号途径负调节果实的成熟衰老。3) SlTOR的沉默促进乙烯的合成和释放，并导致乙烯合成（如SlACS2, SlACS4和SlACO1）、受体（SlETR3）和响应相关（如SlE4和SlE8）基因以及重要的成熟调节子SlRIN的上调表达。表明SlTOR能通过负调节乙烯的合成来影响果实的成熟。4）转录组测序分析显示，SlTOR的抑制导致大量成熟相关基因的重组表达；特别是涉及乙烯和茉莉酸信号途径中的合成和响应相关基因，其表达发生明显的上调。5）对TOR下游保守底物筛选互作蛋白，并通过BIFC和Co-IP实验验证，证明了TOR的下游保守底物SlTAP46与SlACS2存在直接的相互作用，此外TOR的抑制导致SlACS2的积累。表明SlTOR还涉及调节在蛋白水平上调节ACS的稳定性来调节乙烯的生物合成。总的来说，这些数据表明SlTOR在果实发育和成熟中起着重要作用，主要是通过负调节乙烯信号和代谢途径。本研究填补了TOR在果实发育和成熟过程中功能研究的空白，对番茄果实采后保鲜具有重要的理论意义和潜在的应用价值。