菊花BBX基因家族全基因组鉴定及CmBBX32在抵御坏死性真菌Alternaria sp.中的功能研究

《BMC Genomics》：Genome-wide identification of BBX gene family and its function in defense of necrotrophic fungus Alternaria sp. in Chrysanthemum

本研究针对菊花易感染坏死性真菌Alternaria sp.导致黑斑病、严重影响其产量和品质的产业难题，系统开展了菊花BBX转录因子家族的全基因组鉴定分析。研究人员通过生物信息学方法鉴定出26个CmBBX基因，并基于转录组数据分析筛选出响应病原菌侵染的关键基因CmBBX32。通过病毒诱导基因沉默(VIGS)技术证实，沉默CmBBX32会降低菊花对Alternaria sp.的抗性，并影响水杨酸(SA)防御通路标记基因的表达。该研究为菊花抗病育种提供了重要靶基因，对观赏植物和药用植物的病害防治具有重要理论意义。

　　

在繁花似锦的观赏植物王国中，菊花以其雍容华贵的姿态和独特的药用价值享誉全球。然而，这位“花中隐士”在生长过程中却常常遭受一种名为Alternaria sp.的坏死性真菌的无情侵袭，导致黑斑病蔓延，严重影响其观赏品质和药用价值。更令人担忧的是，菊花常用的分株和扦插繁殖方式，使得病原菌更容易在植株间传播，给产业发展带来了严峻挑战。

面对这一难题，科学家们将目光投向了植物体内的一类关键调控因子——BBX转录因子家族。这类含有B-box结构域的锌指转录因子，如同植物的“智能开关”，在调控开花时间、响应逆境胁迫等方面发挥着重要作用。虽然BBX基因家族在拟南芥、水稻等模式植物中已有深入研究，但在菊花这一重要经济作物中，其家族成员特征及在抗病过程中的具体功能仍是一片待探索的奥秘。

为此，Wang等研究人员在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果，首次对菊花BBX基因家族进行了全基因组尺度的系统分析，并深入探究了其在抵御坏死性真菌Alternaria sp.中的生物学功能。研究团队综合利用生物信息学、分子生物学和病理学等多学科技术手段，包括基因家族鉴定、系统进化分析、基因结构及保守基序分析、顺式作用元件预测、染色体定位与共线性分析、转录组数据分析、基因克隆与表达分析、病毒诱导基因沉默(VIGS)技术、表型观察以及病原菌抗性评估等，其中实验材料为菊花品种‘怀菊2号’及其转录组数据库(PRJNA448499)。

研究结果揭示了菊花BBX基因家族的完整图谱。通过全基因组鉴定，共发现26个CmBBX基因，这些基因不均匀地分布在9条染色体上，其中5号染色体分布最多(5个)。系统进化分析将这些基因划分为5个亚家族，与拟南芥、水稻等物种的BBX基因具有相似的进化关系。

基因结构和蛋白域分析显示，CmBBX基因的外显子数量为1-5个，蛋白结构多样，包含1-2个B-box结构域，部分成员还含有CCT结构域。值得注意的是，同一亚家族内的基因具有相似的结构特征，暗示它们可能具有相似的功能。

启动子顺式元件分析发现了大量与光响应、激素应答(ABA、MeJA、SA等)和逆境胁迫相关的调控元件，表明CmBBX基因可能广泛参与菊花的生长发育和应激响应过程。共线性分析发现了5个片段重复事件，表明片段重复是菊花BBX基因家族扩张的主要驱动力。

通过对Alternaria sp.侵染后的转录组数据挖掘，研究人员发现6个CmBBX基因在接种后持续上调表达，其中C81653_g1(命名为CmBBX32)表达上调最为显著。该基因在接种后5天表达量达到峰值，为对照组的23.95倍。

组织特异性表达分析表明，CmBBX32在花中表达最高，其次为叶和茎，根中表达较低。系统进化分析显示CmBBX32与拟南芥AtBBX32亲缘关系最近，蛋白结构分析表明其N端含有一个典型的B-box结构域。

为了验证CmBBX32的功能，研究团队采用病毒诱导基因沉默(VIGS)技术，成功构建了CaLCuV-BBX32重组载体，并转化菊花。接种Alternaria sp.后，沉默植株表现出更严重的黑斑病症状，病原菌孢子萌发率和菌丝生长速度均显著高于野生型和空载体对照。

进一步的分子机制研究表明，沉默CmBBX32影响了SA防御通路标记基因CmPR1和CmPR5的表达，而JA通路标记基因CmPDF1.2的表达模式也发生改变。这些结果说明CmBBX32可能通过调控SA信号通路来增强菊花对Alternaria sp.的抗性。

本研究首次在菊花中系统鉴定了BBX基因家族，并揭示了CmBBX32在抗病反应中的关键作用。研究不仅为菊花抗病育种提供了有价值的候选基因，也为理解BBX转录因子在植物与病原菌互作中的功能提供了新视角。特别是发现CmBBX32可能通过调控SA信号通路来增强抗病性，这一发现对开发菊花黑斑病的防控新策略具有重要指导意义。

研究还建立了高效的菊花VIGS技术体系，为菊花基因功能研究提供了重要工具。随着功能研究的深入，BBX基因家族有望成为菊花抗病育种的重要遗传资源，为观赏植物和药用植物的可持续发展提供科技支撑。这项研究不仅具有重要的理论价值，也为菊花产业的黑斑病防治提供了新的思路和方向。