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低温胁迫严重影响了番茄(Solanum lycopersicum)等园艺作物的产量和品质,已成为限制我国设施生产发展的瓶颈问题之一。因此,剖析蔬菜作物对低温胁迫的应答机制,运用分子、生理生化和环境调控等手段提高蔬菜作物在不良环境下的抗性,对保障我国蔬菜的产量和品质具有重要的意义。光信号参与调控植物的生长发育及逆境抗性,但光质、光周期等光信号与作物抗逆性间的关系还鲜有报道。本论文以番茄为研究材料,利用遗传学、生理学、分子生物学等手段,研究了光敏色素在光质调控番茄低温抗性中的作用;探究了低温下,光信号对植物冠层内不同叶位叶片光抑制和光保护的调控作用;阐释了季节变化中,植物整合光质、光周期及冷驯化信号调控番茄低温抗性的机制;明确了光敏色素互作因子(PIFs)在光质调控番茄低温抗性中的作用。所得主要结果如下:1.感受远红光(FR)和红光(R)的光敏色素A(phyA)和phyB分别正负调控脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)等植物激素以及ABA、JA和C-重复结合因子(CBF)信号通路相关基因的表达水平,进而促进或抑制番茄的低温抗性。番茄ABA缺失突变体(not)和JA缺失突变体(spr2)的低温抗性明显降低,并且与高比例R/FR处理比,低比例R/FR并未诱导它们的低温抗性。低比例R/FR诱导了spr2突变体中ABA的含量及其信号基因的表达,但几乎未影响not突变体中JA的含量及其信号基因的表达。叶面喷施ABA和JA实验进一步表明,在光质调控的番茄低温抗性中,JA在ABA的下游起作用。综上所述,phyA和phyB功能拮抗地调节番茄低温抗性,FR激活phyA,诱导ABA和随后的JA信号,导致CBF途径的激活,进而提高番茄的低温抗性。2.光受体介导的光信号在植物生长发育及逆境抗性中起着重要的作用,但光信号对低温下冠层内光抑制和光保护的空间调控作用尚不清楚。我们发现,冠层遮荫,即低比例的红光/远红光(L-R/FR),明显缓解了低温对番茄叶片PSⅡ和PSⅠ的光抑制伤害。低温下,L-R/FR通过phyA诱导LONG HYPOCOTYL 5(HY5)的积累,HY5结合到AB5 INSENSITIVE 5(ABI5)基因的启动子上促进其表达,进而诱导依赖于RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG1(RBOH1)的质外体 H2O2 产生。研究发现,低温下L-R/FR诱导叶绿素a荧光的非光化学猝灭(NPQ),加强Foyer-Halliwell-Asada循环及PSI处的环式电子流(CEF);而沉默HY5、ABI5和RBOH1基因则严重破坏了 L-R/FR对番茄光抑制的缓解作用。另外,番茄缺失PGR5-依赖的CEF,低温造成的光抑制伤害加强,而且削弱了 L-R/FR对NPQ的诱导作用。以上结果表明,HY5是联结光信号与低温信号的关键枢纽,它通过ABA-ROS信号途径加强冠层中遮荫叶片的光保护作用,进而缓解低温胁迫对植物造成的光抑制伤害。3.低温促进PHYA的表达及HY5的积累、抑制PHYB的基因表达,短日照(SD)及低比例R/FR(L-R/FR)的下这种调控作用更为明显。HY5转录因子直接结合到ABA 合成途径中 9-CIS-EPOXYCAROTENOIDDIOXYGENASE6(NCED6)基因的启动子上,转录调控其表达,进而促进激素ABA的积累,诱导CBBF1基因及其靶基因的表达,最终提高番茄的低温抗性。沉默NCED6则严重削弱了冷驯化、SD及L-R/FR对番茄低温抗性的诱导作用。另外,低温下HY5通过诱导赤霉素(GA)代谢基因GA2ox4的表达,可能导致GA的降解,进而抑制番茄生长。这揭示了植物如何整合温度渐低、日照渐短、R/FR渐低等环境信号,合理调控生长与低温抗性间的关系。4.光信号和促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)信号途径均影响植物的生长、发育和逆境抗性,然而,低温胁迫下这两个信号传导途径间的相互关系仍不清楚。我们发现,低温下,低比例R/FR(L-R/FR)诱导番茄光敏色素互作因子PIF4的积累,增强番茄中MPK3的活性,且PIF4与MPK3发生蛋白互作;番茄转录因子PIF4正调控GAI4的基因表达,提高番茄的低温抗性;GAI4不仅正调控番茄的低温抗性,而且通过负反馈机制抑制PIF4的积累。以上结果表明,PIF4是联系MAPKs、激素GA及光信号途径的关键。综上所述,FR和R分别通过番茄光受体phyA和phyB正、负调控ABA及JA的合成和信号通路,进而影响CBF抗冷途径。低温下FR促进转录因子HY5的积累,它一方面激活ABA-CBF依赖的耐冷途径提高番茄的低温抗性,另一方面通过HY5-ABI5-RBOH1信号通路诱导番茄光保护作用,缓解低温造成的光抑制伤害。另外,番茄光敏色素互作因子PIF4与MPK3互作,通过正调控GAI4基因的表达,参与FR对番茄低温抗性的诱导作用,而GAI4对PIF4有反馈抑制作用。