龙眼GRAS转录因子家族全基因组鉴定及DlGRAS24促开花功能解析

《BMC Plant Biology》：Exploration of the GRAS family in Dimocarpus longan: identification, characterization, expression analysis and DlGRAS24 role in flowering time

本研究针对龙眼开花调控机制不明的问题，系统鉴定了56个GRAS家族基因，通过进化分析和表达谱验证，发现DlGRAS24在 nucleus 中通过调控CO和LFY表达促进开花，为龙眼分子育种提供了新靶点。

　　

龙眼作为具有重要经济价值的亚热带果树，其开花时间直接影响果实产量和市场供应。然而，多年生木本植物的开花调控机制复杂，特别是GRAS转录因子家族在龙眼开花过程中的作用尚不明确。传统品种"石硖"(SX)每年仅开花一次，而热带生态型"四季蜜"(SJ)可实现多次开花，这为研究龙眼开花调控机制提供了理想材料。

研究团队通过整合生物信息学与实验验证手段，在《BMC Plant Biology》上发表了系统性研究成果。首先利用龙眼基因组数据库进行全基因组扫描，结合保守结构域验证，最终鉴定出56个GRAS家族成员。通过系统进化分析将这些基因划分为14个亚家族，包括新发现的L-GRAS亚家族。基因复制事件分析显示串联重复和片段重复共同推动了龙眼GRAS家族的扩张。

基因结构与保守基序分析揭示了各亚家族的特异性特征。研究人员发现大多数DlGRAS基因不含内含子，而PAT1亚家族所有成员均含有内含子，暗示其可能具有特殊的调控机制。启动子顺式作用元件分析显示，所有DlGRAS基因均含有光响应元件，其中17个还含有MYB结合位点，表明该家族在光周期调控中发挥重要作用。

组织特异性表达谱显示DlGRAS基因在不同器官中呈现差异表达模式。值得注意的是，在花芽和花器官中高表达的DlGRAS24引起了研究人员的特别关注。进一步比较两个品种开花关键时期的表达模式发现，在SJ品种的T1-T2阶段（休眠期到花原基出现期），DlGRAS24表达量显著下调4.3倍，而在SX品种中无显著变化，提示该基因可能在多次开花品种中具有特殊调控功能。

亚细胞定位实验证实DlGRAS24蛋白特异定位于细胞核，符合其作为转录因子的功能特征。为了验证其生物学功能，研究人员构建了DlGRAS24过表达拟南芥株系，发现转基因植株表现出明显的早花表型，开花时间比野生型提前5天，且仅需13片叶片即可抽薹开花。

分子机制研究表明，过表达DlGRAS24的拟南芥中开花关键基因AtCO和AtLFY的表达水平显著上调，而AtAP2表达无显著变化。这一结果提示DlGRAS24可能通过调控光周期通路中的关键因子CO和花分生组织决定基因LFY来促进开花。

关键技术方法包括：基于基因组数据库的全基因组鉴定、系统进化分析、基因结构和保守基序分析、染色体定位和共线性分析、启动子顺式元件预测、RNA-seq表达谱分析（使用GSE84467和SRS2241241-SRS2241258数据集）、亚细胞定位（PEG法转化拟南芥原生质体）以及转基因功能验证（农杆菌介导的拟南芥转化）。

研究结果方面，通过染色体分布分析发现DlGRAS基因在4号和13号染色体上分布最为密集，各包含9个基因。共线性分析显示龙眼与荔枝之间存在54个直系同源基因对，远多于与拟南芥（31对）和水稻（16对）的同源关系，反映了近缘物种间的保守性。

表达模式分析揭示了品种特异性调控机制。在SX品种中，DlGRAS基因的差异表达主要集中在T2-T3阶段（花原基出现到花器官形成期），而SJ品种的调控更早发生在T1-T2阶段。这种时序差异反映了不同开花习性品种的独特调控网络。

研究结论表明，龙眼GRAS基因家族通过复杂的进化机制扩张，各亚家族具有独特的结构特征和表达模式。DlGRAS24作为PAT1亚家族成员，通过核定位调控开花关键基因表达，在龙眼开花时间调控中发挥重要作用。该研究不仅填补了龙眼GRAS家族功能研究的空白，为理解木本植物开花机制提供了新视角，而且为培育具有理想开花特性的龙眼新品种奠定了理论基础。值得注意的是，与以往主要关注DELLA亚家族的研究不同，本研究揭示了PAT1亚家族在开花调控中的新功能，拓展了对GRAS转录因子家族功能多样性的认识。

讨论部分指出，龙眼GRAS基因数量（56个）介于拟南芥（33个）和水稻（60个）之间，与基因组大小无明确相关性。特别值得关注的是在龙眼和荔枝中共同发现的L-GRAS亚家族，可能在这两个近缘物种中具有独特功能。研究人员强调DlGRAS24通过调控CO-LFY模块促进开花的机制，为作物开花时间改良提供了新思路。未来研究可进一步解析DlGRAS24与下游靶基因的直接调控关系，以及其在龙眼不同器官发育中的多重功能。