毛竹乙二醛酶基因家族全基因组鉴定及其在非生物胁迫应答中的功能解析

本研究针对毛竹(Phyllostachys pubescens)在气候变化下面临的生存压力问题，通过全基因组分析鉴定了52个乙二醛酶基因家族成员（19个PhGLYI、18个PhGLYII和15个PhGLYIII），揭示了其在冷、旱、盐和重金属胁迫下的差异表达模式。研究发现PhGLYI-15、PhGLYII-9和PhGLYIII-3等关键基因的显著上调表达，通过调控甲基乙二醛(MG)解毒和细胞氧化还原稳态，显著增强了毛竹的逆境适应能力。该研究为竹类植物抗逆育种提供了重要靶基因和理论依据。

　　

随着气候变化加剧，植物面临的非生物胁迫日益严重。作为生态和经济价值重要的森林物种，毛竹虽然具有强大的碳汇能力，但其生长却受到干旱、盐碱、低温和重金属等胁迫的严重威胁。在这些胁迫条件下，植物体内会积累大量有毒代谢物甲基乙二醛(Methylglyoxal, MG)，这种强亲电体能与核酸、蛋白质和脂质形成高级糖基化终末产物(AGEs)，导致细胞功能受损。尽管植物已进化出乙二醛酶(glyoxalase)系统来解毒MG，但人们对毛竹中这一关键系统的认知仍存在空白。

为了揭示毛竹乙二醛酶系统的分子机制，Kumari等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。他们通过对毛竹基因组进行系统性分析，鉴定出52个乙二醛酶基因家族成员，包括19个GLYI、18个GLYII和15个GLYIII基因。这些基因在染色体上呈不均匀分布，且启动子区含有丰富的胁迫响应顺式作用元件。研究团队还通过qRT-PCR技术分析了这些基因在四种非生物胁迫条件下的表达模式，发现了多个关键胁迫响应基因。

研究采用的主要技术方法包括：全基因组HMM(隐马尔可夫模型)搜索和BLASTp分析鉴定基因家族成员；使用MEGA 5.2进行系统发育树构建；通过PlantCARE数据库分析启动子顺式作用元件；运用RNA-seq数据和qRT-PCR技术进行表达谱分析；利用AlphaFold2预测蛋白质三级结构。实验材料为从印度西部喜马拉雅山脉采集的毛竹无菌组培苗，分别进行冷胁迫(0°C)、干旱胁迫(150 mM甘露醇)、盐胁迫(200 mM NaCl)和重金属胁迫(200μM K₂Cr₂O₇)处理。

基因鉴定与分类：研究人员在毛竹基因组中鉴定到19个PhGLYI、18个PhGLYII和15个PhGLYIII基因。这些基因在染色体上分布不均匀，其中18号染色体含有最多的GLYI基因(3个)，3号染色体含有最多的GLYII基因(5个)。基因复制分析发现了6对PhGLYI、7对PhGLYII和4对PhGLYIII旁系同源基因，Ka/Ks分析表明这些基因经历了纯化选择。

蛋白质结构与保守域分析：所有PhGLYI蛋白都含有保守的glyoxalase结构域(PF00903)，其中4个成员含有两个连续的GLYI结构域。基于序列比对，PhGLYI-17被预测为Zn²⁺依赖性，而PhGLYI-1、PhGLYI-2等8个成员为Ni²⁺依赖性。PhGLYII蛋白均含有metallo-beta-lactamase结构域(PF00753)，并具有保守的金属结合(THXHXDH)和活性位点(C/GHT) motifs。PhGLYIII蛋白含有DJ-1/PfpI结构域(PF01965)，其中9个蛋白含有两个连续的DJ-1/PfpI结构域。

系统发育分析：构建的系统发育树将GLYI蛋白分为5个进化枝，GLYII分为4个进化枝，GLYIII分为4个进化枝。进化分析表明，植物GLY基因的分化发生在单子叶植物和双子叶植物分化之前。Clade IV中包含多个毛竹和水稻成员，且这些成员被预测为Ni²⁺依赖性GLYI酶。

顺式作用元件与转录调控网络：在PhGLY基因的启动子区鉴定到36种不同类型的顺式作用元件，可分为胁迫响应元件(33.82%)、激素相关元件(26.99%)、光响应元件(22.29%)和发育相关元件(16.90%)。胁迫响应元件包括ARE、CAAT、DRE-core、F-box、LTR、MBS、MYB、W box等。转录因子结合位点分析发现了ABF1、ABI5、AT FHY3、MYB46、SOS3、HSP101等关键转录因子的结合区域。

表达谱分析：qRT-PCR分析显示，PhGLY基因家族成员在冷、重金属、干旱和盐胁迫条件下表现出差异表达。冷胁迫下，PhGLYI-8(4.44倍)、PhGLYI-3(3.97倍)和PhGLYI-6(2.93倍)显著上调；重金属胁迫下，PhGLYI-15(2.98倍)和PhGLYI-8(2.24倍)上调；干旱胁迫下，PhGLYI-8(5.42倍)和PhGLYI-15(4.21倍)显著上调；盐胁迫下，PhGLYI-8(4.49倍)、PhGLYI-5(3.21倍)和PhGLYI-10(3.06倍)上调。PhGLYII和PhGLYIII基因也表现出类似的胁迫特异性表达模式。

研究结论表明，毛竹乙二醛酶基因家族通过协同作用在非生物胁迫应答中发挥关键作用。Ni²⁺依赖性的GLYI基因主要参与冷、旱和盐胁迫下的MG解毒，而Zn²⁺依赖性成员则可能参与金属胁迫适应。GLYII和GLYIII基因通过调节细胞氧化还原稳态增强植物的胁迫耐受性。该研究不仅揭示了毛竹乙二醛酶系统的进化特征和功能多样性，还为利用关键基因(如PhGLYI-15、PhGLYII-9和PhGLYIII-3)进行基因工程改良提供了重要靶点，对培育抗逆竹类品种、维持生态系统稳定和促进可持续农业发展具有重要意义。