全基因组系统鉴定二月兰磷酸盐转运蛋白（PHT）基因家族及其介导磷吸收的功能解析

本研究针对植物磷吸收效率低下的问题，系统鉴定了二月兰（Orychophragmus violaceus）中22个PHT基因家族成员，通过进化分析、表达谱验证和功能实验，发现OvPHT1;1定位于质膜且过表达可显著增强低磷条件下水稻的磷吸收能力，为作物磷高效利用育种提供了关键靶点。

　　

磷（P）是植物生长发育不可或缺的矿质元素，参与核酸合成、信号转导和能量代谢等关键过程。然而，土壤中约70%的耕地存在磷匮乏问题，且磷资源不可再生，严重制约农作物产量和品质。植物主要通过磷酸盐转运蛋白（PHT）家族介导磷吸收，但在高价值经济作物二月兰（Orychophragmus violaceus）中，PHT基因的系统鉴定和功能研究仍属空白。二月兰作为十字花科特色油料作物，种子富含不饱和脂肪酸，但其油脂合成受磷供应水平显著影响。因此，解析二月兰PHT基因家族的组成和功能，对培育磷高效利用作物具有重要意义。

研究人员利用二月兰高质量基因组数据，通过同源比对和结构分析，鉴定出22个OvPHT基因，分为PHT1、PHT2、PHT3和PHT4四个亚家族。研究整合了系统进化、基因结构、保守 motif、共线性分析和表达谱验证，重点关注了低磷胁迫下的基因响应模式，并通过亚细胞定位和水稻转基因实验验证了关键基因的功能。

主要技术方法包括：全基因组序列分析（来源：http://www.bioinformaticslab.cn/pubs/OV_data/），多物种系统进化树构建（MEGA-X），基因复制事件与共线性分析（MCScanX），启动子顺式元件预测（PlantCare），组织特异性与胁迫表达谱（RT-qPCR），亚细胞定位（Confocal microscopy）和水稻遗传转化（Agrobacterium-mediated transformation）。

Result

Identification and characterization of OvPHTs in O. violaceus

研究人员从二月兰基因组中鉴定出22个OvPHT基因，命名为OvPHT1;1至OvPHT4;3。蛋白理化性质分析显示，氨基酸长度介于351（OvPHT3;1）至584（OvPHT3;1）之间，分子量36.43-63.61 kDa，等电点均大于7（8.81-9.53），表明其为碱性疏水蛋白。亚细胞定位预测显示PHT1和PHT4定位于质膜，PHT2和PHT3分别定位于叶绿体和线粒体。

Phylogenetic analysis of PHT genes in O. violaceus

系统进化分析将OvPHTs分为四个亚家族：PHT1（14成员）、PHT2（2成员）、PHT3（3成员）和PHT4（3成员）。PHT1与拟南芥同源基因高度保守，但OvPHT1;11和OvPHT1;12例外。跨物种比较发现，绿藻中仅存在PHT4亚家族，而陆生植物中PHT1和PHT3显著扩张。

Gene structure, conserved protein domain and motif analyses of OvPHTs

基因结构分析显示，PHT1和PHT2多数含1-3个外显子，PHT3含5-6个，PHT4含11-12个。保守 motif 分析表明，PHT1亚家族包含8个核心 motif（如2、3、4、7-10、14），PHT3特有 motif 15。所有PHT1成员均含磷酸转运蛋白特征结构域（GGDYPLSATLxSE）。

Collinearity analysis of PHTs between O. violaceus and other plants

共线性分析发现9个片段重复和2个串联重复事件，Ka/Ks比值均小于1（0.03-0.1921），表明纯化选择主导了基因家族进化。与拟南芥和大豆的比较显示，二月兰与拟南芥存在18对共线性基因，且多数为同亚家族对应。

Cis-elements analysis of the OvPHTs promoter

启动子顺式元件分析鉴定出四类元件：生长发育（如O2-site、CAT-box）、激素响应（ABRE、CGTCA-motif）、光响应（G-Box、GT1-motif）和逆境响应（MYB、ARE）。值得注意的是，所有PHT1和PHT4成员均含低磷响应元件P1BS。

Tissue-specific expression of OvPHTs

组织表达谱显示，OvPHT1;1和OvPHT1;3仅在根中表达；OvPHT1;4和OvPHT1;11在根中高表达；OvPHT2成员在叶片中优势表达；OvPHT3和OvPHT4在除根外的组织中广泛表达。

Effect of low-Pi stress on the expression of OvPHTs

低磷处理下，10个OvPHT基因显著诱导表达，其中OvPHT1;1在1天即快速响应，OvPHT1;3和OvPHT3;1持续上调至7天，OvPHT1;8在7天达到峰值。OvPHT2;2和OvPHT4;3表达不受磷水平影响。

Localization and functional characterization of OvPHT1;1

亚细胞定位证实OvPHT1;1定位于质膜。过表达OvPHT1;1的水稻在低磷条件下地上部和根部磷积累量增加20%，但表型无显著变化，表明其专一调控磷吸收。

Discussion

本研究首次系统鉴定了二月兰PHT基因家族，揭示其通过片段复制扩张且受纯化选择约束。表达模式分析表明PHT1成员主导根中磷吸收，PHT4参与体内磷分配。功能验证证实OvPHT1;1是低磷响应的关键转运蛋白。研究为十字花科作物磷高效育种提供了基因资源和理论依据，尤其为二月兰作为绿肥作物的磷回收利用提供了分子基础。