甜樱桃PavMADS14通过增强光合作用和抗氧化能力赋予低温耐受性

《Scientia Horticulturae》：Genome-wide characterization of MADS genes in sweet cherry and the role of PavMADS14 in response to cold stress

本研究针对甜樱桃易受低温胁迫影响产量和品质的问题，系统鉴定了其MADS-box转录因子家族。研究人员通过生物信息学分析和qRT-PCR验证，发现PavMADS14在低温下显著诱导表达。功能验证表明，过表达PavMADS14能通过维持光合系统II（PSII）效率和增强超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性来清除活性氧（ROS），从而提高转基因烟草的低温耐受性。该研究为利用MADS-box基因培育抗寒甜樱桃种质提供了理论依据。

　　

每当春寒料峭之时，果园里的甜樱桃树常常面临严峻考验。低温胁迫不仅会影响甜樱桃的开花坐果，严重时甚至会导致整株冻死，给果农带来巨大经济损失。甜樱桃作为一种温带落叶果树，其经济价值高，但对低温尤为敏感。因此，挖掘甜樱桃自身的抗寒基因资源，培育耐寒新品种，成为果树育种工作者亟待解决的重要课题。

在植物应对逆境胁迫的复杂调控网络中，转录因子扮演着“总开关”的关键角色。其中，MADS-box基因家族是一类重要的转录因子，因其首个被发现的成员MCM1、AGAMOUS、DEFICIENS和SRF而得名。这类基因最初因其在花器官发育和开花时间调控中的经典功能而被熟知，好比植物生长发育的“建筑师”。然而，近年来越来越多的研究表明，MADS-box基因的功能远不止于此，它们还广泛参与植物对干旱、高盐、尤其是低温等非生物胁迫的响应。例如，在拟南芥、水稻等模式植物中，一些MADS-box基因被证实能够增强植物的抗寒性。然而，在甜樱桃这种重要的果树作物中，MADS-box基因家族的全貌如何？它们是否以及如何参与低温胁迫响应？这些问题此前仍是一片空白。

为了回答这些问题，由Xiaoli Zhang和Hongwei Pei等人组成的研究团队在《Scientia Horticulturae》上发表了他们的最新研究成果。他们对甜樱桃基因组中的MADS-box基因家族进行了首次全面系统的鉴定和分析，并重点挖掘了其中一个名为PavMADS14的关键基因在低温耐受中的功能。这项研究就像是为甜樱桃的抗寒机制绘制了一幅新的“基因地图”，为理解其适应低温的分子基础打开了新窗口。

研究人员综合运用了生物信息学、分子生物学和植物生理学等多种技术方法。他们从甜樱桃基因组数据库中筛选鉴定MADS-box基因家族成员，并对其进行系统发育、基因结构、保守基序、顺式作用元件和共线性分析。通过定量逆转录聚合酶链式反应分析基因表达模式。通过农杆菌介导的瞬时转化技术在烟草中过表达目标基因PavMADS14。对转基因植株进行低温处理，并系统测定其表型、叶绿素荧光参数、相对电解质外渗率以及活性氧积累和抗氧化酶活性等生理指标。

MADS-box基因家族在甜樱桃中的鉴定与表征

研究人员在甜樱桃基因组中成功鉴定出56个MADS-box基因，并将其命名为PavMADS1至PavMADS56。系统发育分析将这些基因分为三个主要分支。所有PavMADS蛋白均包含保守的MADS-box结构域，但它们的基因结构（如外显子数量）和蛋白基序组成存在多样性，这暗示了该家族成员可能存在功能分化。

PavMADS基因的顺式作用元件分析与低温诱导表达

对基因上游启动子区域的分析发现，PavMADS基因的启动子中含有丰富的顺式作用元件，这些元件与光响应、激素应答以及多种生物和非生物胁迫响应相关，其中就包括低温响应元件。这从理论上预示了PavMADS基因可能参与胁迫响应。进一步的qRT-PCR实验证实，在4°C低温处理下，多个PavMADS基因的表达量显著上调，尤其是PavMADS14、PavMADS18和PavMADS23。其中，PavMADS14的表达在8小时的低温处理期间持续升高，表明它可能在持续的低温响应中扮演重要角色。

PavMADS14的组织特异性表达

研究人员还检测了这些基因在根、茎、叶等不同组织中的表达情况。结果显示，PavMADS基因的表达具有组织特异性，例如PavMADS10、PavMADS19和PavMADS35在根中表达量较高，而PavMADS23在茎中特异性高表达。值得注意的是，PavMADS14在根、茎、叶中均有相对较高且稳定的表达，这种组成型表达模式暗示它可能作为一个基础性调控因子，在多种生理过程中发挥作用。

过表达PavMADS14增强转基因烟草的低温耐受性

为了直接验证PavMADS14的功能，研究人员将其在烟草中进行了瞬时过表达。在遭受-6°C的低温胁迫后，过表达PavMADS14的烟草植株相比对照植株表现出更轻的萎蔫症状。生理指标测定表明，转基因植株能更好地维持叶绿素含量，具有更低的细胞膜损伤，这体现在较低的相对电解质外渗率上。这些结果直接证明PavMADS14的过表达能够增强植物对低温胁迫的耐受性。

PavMADS14通过保护光合系统和增强抗氧化能力来应对低温

低温常常会破坏植物的光合机构。叶绿素荧光分析显示，过表达PavMADS14的烟草在低温胁迫下保持了更高的PSII最大光化学效率、光化学淬灭系数和非光化学淬灭能力，同时降低了非调节性能量耗散的量子产量。这表明PavMADS14能有效保护光合系统II，提高光能利用效率，并增强光保护能力。

低温胁迫会诱发活性氧的大量积累，造成氧化损伤。组织化学染色和定量分析表明，过表达PavMADS14的植株在低温下积累的超氧阴离子和过氧化氢更少。同时，这些植株中超氧化物歧化酶和过氧化物酶的活性显著高于对照。这表明PavMADS14通过激活抗氧化酶系统，有效清除了过量的活性氧，从而减轻了氧化损伤。

综上所述，这项研究首次在甜樱桃中完成了MADS-box基因家族的系统鉴定，并深入揭示了PavMADS14作为一个正调控因子在低温胁迫响应中的关键作用。其作用机制可能在于调控下游靶基因，从而协同保护光合机构和增强抗氧化防御系统。该研究不仅拓展了对MADS-box转录因子功能多样性的认识，更重要的是为甜樱桃抗寒分子育种提供了宝贵的候选基因和理论依据。未来，通过基因编辑或转基因技术精准调控PavMADS14等基因的表达，有望为培育高产、优质、抗寒的甜樱桃品种开辟新途径。