豌豆RALF基因家族的全基因组鉴定及其在非生物胁迫响应中的组织特异性表达与功能分析

本研究针对豌豆（Pisum sativum L.）中快速碱化因子（RALF）基因家族在非生物胁迫响应中的功能尚未系统解析的问题，开展了全基因组鉴定、进化分析和多胁迫表达谱研究。研究人员鉴定出8个PsRALF成员，发现PsRALF2在干旱、盐和铝胁迫下显著上调，且家族成员具有朊病毒样结构域（PrD）和相分离潜力。该研究为利用RALF基因培育抗逆豌豆品种提供了关键靶点和理论依据，对可持续农业和植物蛋白供应安全具有重要意义。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱、盐碱和重金属胁迫等非生物胁迫因素严重制约农作物生产，其中豌豆（Pisum sativum L.）作为重要的豆科作物，因其高蛋白含量和营养价值受到广泛关注，但其产量对逆境极为敏感。以往研究表明，快速碱化因子（Rapid Alkalinization Factor, RALF）基因家族在植物生长、发育和胁迫响应中起关键作用，然而在豌豆中该基因家族的系统性研究仍属空白。为解决这一问题，Xiwang Xu、Yue Liu、Zhenkun Bai、Li Jia、Chaoran Yu、Mohsin Tanveer、Sergey Shabala和Liping Huang团队在《Plant Stress》发表了针对豌豆RALF基因家族的全基因组分析研究。

为解析PsRALF家族特征，研究人员利用基因组数据库和生物信息学工具鉴定了豌豆中的RALF成员，并对其进化关系、基因结构、顺式调控元件、染色体分布和表达模式进行了系统分析。实验材料采用豌豆品种“中豌6号”（Zhongwan6），通过水培体系进行干旱、盐、铝、冷、热、淹水等胁迫处理，并利用实时定量PCR（RT-qPCR）技术分析基因表达动态。

研究结果如下：

2.1. 豌豆中RALF基因的鉴定与亚细胞定位分析

共鉴定出8个PsRALF基因，其编码的氨基酸数目在112至183之间，分子量介于12.6–21.1 kDa，等电点（pI）偏碱性（7.58–10.03）。亚细胞定位预测显示多数成员位于细胞外，仅PsRALF5定位于叶绿体，提示其可能参与光合相关过程。

2.2. RALF基因家族的染色体定位分析

PsRALF成员分布不均匀，集中于2、3、4、5和7号染色体，其中PsRALF6/7/8在7号染色体上形成基因簇，表明串联复制事件在家族扩张中起重要作用。

2.3. PsRALFs的系统发育分析

构建了豌豆、拟南芥、大豆和水稻的RALF系统发育树，113个RALF蛋白被分为8组，豌豆成员分布于Group Ⅳ、Ⅵ和Ⅶ，与大豆和水稻RALF表现出种间保守性和分化特征。

2.4. PsRALFs的顺式元件分析、保守基序与结构

启动子分析发现所有PsRALF均含有茉莉酸甲酯（MeJA）响应元件，多数成员具备干旱、脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）响应元件。基因结构显示C端含保守YISY基序和半胱氨酸富集区，N端变异较大。

2.5. 共线性分析、基因复制与朊病毒样结构域（PrD）预测

共线性分析揭示PsRALF5与Group A（PsRALF1–4）和Group B（PsRALF6–8）存在保守关系。此外，所有PsRALF均具有不同程度的PrD特征，表明其可能通过液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）机制参与信号传导。

2.6. PsRALF蛋白家族的进化分析

比较25个物种的RALF基因数量发现，豌豆拥有8个成员，介于基础陆地植物（如小立碗藓仅2个）和扩张明显的双子叶植物（如拟南芥37个）之间，反映了豆科物种特有的进化轨迹。

2.7. PsRALFs在豌豆中的组织特异性表达

表达模式分析显示，PsRALF1/4/6在花粉中高表达，PsRALF2/3在根中优势表达，而PsRALF7在叶片中表达量最高，表明家族成员具有功能分工。

2.8. 不同非生物胁迫下PsRALFs基因的组织特异性表达动力学

胁迫处理表明，PsRALF2在根中受铝、干旱和盐胁迫显著诱导，在叶中快速响应热胁迫；PsRALF3在ABA处理下持续上调，但其启动子缺乏ABA响应元件，暗示其调控存在非经典途径。主坐标分析（PCoA）进一步证实根和叶中胁迫响应具组织特异性。

研究结论与讨论：

该研究首次在豌豆中全基因组尺度鉴定了RALF家族，揭示了其进化关系、结构特征和表达模式。研究发现PsRALF2在多种胁迫下均表现显著上调，是潜在的抗逆候选基因。家族成员启动子中的应激响应元件和PrD结构域预测为其在胁迫信号中的功能提供了分子基础。此外，组织特异性表达模式说明不同PsRALF在根发育、花粉形成和叶片应激中扮演不同角色。这些结果不仅填补了豆科植物RALF研究的空白，也为利用分子育种提升豌豆抗逆性和产量提供了理论依据和基因资源，对应对全球气候变化下的农业可持续发展具有重要意义。