紫花苿蓿CPP转录因子家族全基因组鉴定及非生物胁迫响应机制解析

《BMC Plant Biology》：Genome-wide identification and expression pattern analysis of the CPP transcription factor family in Medicago sativa L

本研究针对紫花苿蓿（Medicago sativaL.）中尚未系统研究的CPP（Cysteine-rich Polycomb-like Protein）转录因子家族，通过生物信息学与分子实验相结合的策略，首次完成全基因组规模鉴定。研究团队从“新疆大叶”基因组中筛选出31个MsCPP基因，解析其系统进化、保守结构域及启动子顺式作用元件特征，并结合转录组数据与RT-qPCR验证，揭示该家族在干旱、盐、低温胁迫下的差异表达模式，为紫花苿蓿抗逆育种提供关键靶点。

　　

作为全球最重要的豆科牧草之一，紫花苿蓿（Medicago sativaL.）在农业生产中占据重要地位，但其生长常受干旱、盐碱、低温等非生物胁迫的严重制约。近年来，多组学技术的快速发展为解析紫花苿蓿胁迫应答机制提供了新机遇，然而在其庞大的基因组中，仍有许多基因家族的功能尚未被系统揭示。其中，CPP（Cysteine-rich Polycomb-like Protein）转录因子家族作为一类含半胱氨酸富集结构域的调控蛋白，在拟南芥、水稻、大豆等物种中已被证实参与生长发育和胁迫响应，但在紫花苿蓿中仍属研究空白。

为填补这一空白，马新月等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了题为“Genome-wide identification and expression pattern analysis of the CPP transcription factor family in Medicago sativaL”的研究论文。该研究通过整合生物信息学分析与实验验证，首次在紫花苿蓿中系统鉴定了CPP家族成员，并深入探究其在不同组织和胁迫条件下的表达规律，为揭示该家族在紫花苿蓿环境适应性中的调控功能奠定了理论基础。

研究团队主要采用以下几项关键技术：基于本地BLAST和隐马尔可夫模型（HMM）从紫花苿蓿“新疆大叶”基因组中筛选CPP成员；利用MEGA 11构建系统进化树；通过PlantCARE数据库分析启动子顺式作用元件；基于公共转录组数据（SRP055547、SRR7091780~SRR7091794等）绘制组织特异性及胁迫响应表达谱；最后通过RT-qPCR对代表性基因（MsCPP1、MsCPP16、MsCPP29）进行盐胁迫和干旱胁迫下的表达验证。

MsCPP基因家族的鉴定与染色体分布

研究共鉴定出31个MsCPP基因，分布于20条染色体上，其中chr1.2、chr1.3和chr1.4携带基因数量最多（各3个），MsCPP30和MsCPP31因基因组组装完整性限制未被定位至特定染色体。

MsCPP蛋白的理化性质与亚细胞定位

31个MsCPP蛋白长度介于405–872个氨基酸，分子量为45.75–95.45 kDa，等电点（pI）分布均匀（14个酸性、17个碱性）。所有成员均被预测定位于细胞核，与其转录因子功能相符。

系统进化与基因结构分析

MsCPP蛋白与蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）、大豆（Glycine max）及拟南芥（Arabidopsis thaliana）的同源蛋白被划分为5个进化亚群（Group I–V）。同一亚群内成员具有相似的基因结构（如Group I–II含7个内含子）和保守基序（Motif 1/9/10为TCR结构域核心）。

启动子顺式作用元件分析

超过三分之二的MsCPP基因启动子含有MBS（干旱诱导响应元件），其中10个基因同时具备ABRE（脱落酸响应元件）与MBS，提示其可能通过ABA依赖途径响应干旱；另有12个基因仅含MBS，可能以ABA非依赖方式参与胁迫应答。

基因复制与共线性分析

共检测到58个片段复制事件涉及27个基因，未发现串联复制，表明片段复制是MsCPP家族扩张的主要驱动力。与蒺藜苜蓿、大豆的共线性关系远高于拟南芥，印证了豆科植物间的进化亲缘性。

组织特异性表达模式

转录组数据显示，MsCPP基因在伸长茎中表达最活跃，其次为根和根瘤。其中MsCPP14、MsCPP16、MsCPP17、MsCPP18、MsCPP22和MsCPP26在所有检测组织均表达，而MsCPP23和MsCPP24仅特异性表达于根和伸长茎。

非生物胁迫响应特征

干旱、盐和低温胁迫下分别有18、21和18个MsCPP基因表达显著变化。RT-qPCR验证发现MsCPP1在干旱（3小时峰值表达量上调4.12倍）和盐胁迫（0.5小时上调4.33倍）中均快速响应；MsCPP29在两种胁迫下于3小时达到表达峰值（3.25倍和3.15倍）；MsCPP16则仅在盐胁迫后期（24小时）诱导表达（2.85倍）。

结论与展望

本研究首次在紫花苿蓿中完成CPP转录因子家族的全基因组鉴定，明确了其进化关系、结构特征及胁迫响应模式。结果表明MsCPP基因通过片段复制扩张，且多数成员具备干旱响应顺式元件，在非生物胁迫中呈现动态表达差异。这些发现不仅丰富了豆科植物转录调控网络的理论基础，更为紫花苿蓿抗逆分子育种提供了候选基因资源。未来需通过功能验证实验（如基因编辑、转基因等）进一步揭示关键MsCPP基因的调控机制，并探索其在生物胁迫应答中的潜在作用。