云南红豆杉NAC转录因子家族全基因组鉴定及TyuNAC30调控紫杉醇合成的分子机制

本研究针对药用植物云南红豆杉(Taxus yunnanensis)中紫杉醇(paclitaxel)生物合成调控机制不明的问题，通过全基因组分析鉴定出44个NAC转录因子家族成员，揭示了TyuNAC30通过结合TyuDBTNBT启动子负调控紫杉醇合成的分子机制。研究人员采用染色体定位、系统发育分析和酵母单杂交等技术，首次阐明分散复制(dispersed duplication)是TyuNAC家族扩张的主要驱动力，为解析药用植物次生代谢调控网络提供了新视角。

　　

在抗癌药物研发领域，紫杉醇作为"植物黄金"始终面临天然含量低的瓶颈。这种二萜类化合物虽能有效治疗卵巢癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤，但在红豆杉植物组织中仅以微量存在。更棘手的是，紫杉醇生物合成涉及多步酶促反应，从起始底物GGPP(geranylgeranyl diphosphate)到终产物需经过CYP450羟基化酶、酰基转移酶等复杂修饰，其转录调控机制犹如未解密码。

四川农业大学长江上游林业生态与资源保护重点实验室的研究团队在《BMC Genomics》发表的研究，首次绘制了云南红豆杉NAC转录因子家族的"基因地图"。通过整合基因组学、转录组学和分子生物学技术，研究人员不仅解析了该家族的进化特征，更发现TyuNAC30如同"分子刹车"般调控着紫杉醇合成关键酶基因的表达。这项研究为通过基因工程提升紫杉醇产量提供了精准靶点。

研究采用全基因组HMM搜索鉴定NAC基因，通过MEME分析保守结构域，利用MCScanX分析基因复制事件。基于公共转录组数据(PRJNA661543)进行组织特异性表达分析，采用qRT-PCR检测MeJA处理下的动态表达。通过HPLC测定紫杉醇和10-DAB含量，运用酵母单杂交(Y1H)和荧光素酶报告基因(LUC)验证转录调控机制。

全基因组鉴定与系统发育分析
从云南红豆杉基因组中鉴定出44个TyuNAC基因，染色体定位显示其在11条染色体上呈不均匀分布，其中5号染色体承载最多成员(7个)。系统发育树将其分为9个亚族，与银杏GbNACs具有显著共线性。值得注意的是，参与次生壁合成的VND类同源基因集中分布于VI亚组，暗示功能保守性。

基因结构与进化特征
基因结构分析揭示外显子数量1-7个不等，多数含2-3个外显子。MEME预测的10个保守基序中，基序2/4/5构成典型的NAC结构域。进化分析表明分散复制(24个基因)是家族扩张的主要方式，其次是串联复制(12个)和近端复制(8个)。Ka/Ks分析显示所有复制基因对均经历纯化选择。

顺式作用元件与表达模式
启动子分析发现大量ABA响应元件(ABRE)和MeJA响应元件(CGTCA)，与激素调控网络密切关联。组织表达谱显示TyuNAC13/16/31在树皮中特异性高表达，与紫杉醇富集部位一致。MeJA处理实验表明，TyuNAC03/13/44在叶片中呈现"先升后降"的表达振荡，与紫杉醇合成酶基因表达呈负相关。

TyuNAC30的调控机制
亚细胞定位证实TyuNAC30定位于细胞核。Y1H和LUC实验共同揭示其通过结合TyuDBTNBT启动子的ABRE元件，抑制这个紫杉醇合成关键酶的转录活性。这种抑制作用可能是MeJA诱导紫杉醇积累的重要调控环节，因为MeJA处理6小时后，TyuNAC30表达受抑而紫杉醇含量达到峰值(4.06倍)。

这项研究不仅填补了裸子植物NAC转录因子系统研究的空白，更开创性地揭示了TyuNAC30作为紫杉醇合成"负调节开关"的分子功能。发现NAC家族通过分散复制扩张的进化特征，为理解植物转录因子家族进化提供了新范式。从应用角度看，鉴定到的组织特异性表达成员如TyuNAC13/16，以及负调控因子TyuNAC30，为通过基因编辑或过表达技术定向改造紫杉醇合成通路提供了精准靶标。该成果对突破抗癌药物原料瓶颈、实现药用植物合成生物学育种具有重要指导价值。