帚粟（Panicum miliaceum）中MBD基因家族的全基因组鉴定与表达分析及其对非生物胁迫的响应

《BMC Genomics》：Genome-wide identification and expression analysis of the MBD gene family in Broomcorn millet (Panicum miliaceum) and its response to abiotic stress

粟的MBD基因家族包含11个成员，染色体分布在5、6、10、11、13、14、15、16号。通过转录组测序和qRT-PCR分析，发现PmMBD1、2、6、8在根和叶中高表达，且对ABA、盐和PEG胁迫响应显著。基因结构显示亚家族I和VII具有保守的MBD域和CW型锌指结构。表达模式表明这些基因在根发育和抗逆中起关键作用，并参与激素信号通路调控。

　　在植物生物学中，MBD（Methyl-CpG Binding Domain）基因家族是一类具有重要意义的调控因子，其通过识别甲基化DNA序列，参与调控植物的生长发育、激素信号传导和胁迫响应等关键生物学过程。本研究聚焦于一种重要的耐旱、耐贫瘠且对光周期敏感的杂粮作物——糜子（*Panicum miliaceum* L.），分析其MBD基因家族的组成、结构、表达模式及其在胁迫响应中的作用。糜子因其短生长期、适应性广和对极端环境的耐受性，被广泛种植于中国北方干旱和半干旱地区，其在干旱农业系统、农业生物多样性和国家粮食安全方面具有重要价值。然而，目前对糜子MBD基因的功能及其在胁迫适应中的作用仍缺乏系统研究。

### MBD基因家族的结构与进化

在本研究中，通过生物信息学方法，我们鉴定了糜子基因组中11个MBD家族成员，这些基因分布在8条染色体上，即染色体5、6、10、11、13、14、15和16。基于染色体位置和系统发育分析，这些基因被命名为PmMBD1至PmMBD11。进一步分析表明，这些MBD蛋白具有水溶性和不稳定性，且其亚细胞定位预测结果均显示为核定位，这一特征与小麦和玉米等其他作物的MBD基因相似。系统发育分析将糜子的MBD基因分为四个亚家族（I、II、III和VII），这一分类模式与水稻、小麦、拟南芥和玉米等物种的MBD基因系统发育分析结果一致，表明糜子与这些物种在进化过程中具有较近的亲缘关系。MBD蛋白在这些亚家族中具有保守的MBD结构域，同时，亚家族I和VII还含有保守的CW型锌指结构域，这可能增强了MBD蛋白对DNA的结合稳定性，并在表观遗传调控中发挥关键作用。

基因结构分析显示，糜子MBD家族成员的外显子-内含子组织具有显著差异，这种结构的多样性可能有助于其在不同组织和发育阶段中实现不同的功能。某些MBD基因（如PmMBD4）具有较少的内含子，这可能使其在胁迫响应中表现出更快的诱导反应。同时，外显子数量的差异（如PmMBD10和PmMBD11的外显子数分别为3和4）可能影响其表达模式和功能分化。这些差异表明，MBD基因家族成员在进化过程中可能经历了不同的复制事件和结构变化，从而驱动了其功能的多样化。

### 基因组结构与表达模式

通过转录组测序和qRT-PCR方法，我们分析了糜子MBD基因在不同组织（根、茎、叶和穗）中的表达模式。结果表明，PmMBD1、PmMBD2、PmMBD6和PmMBD8在穗期和拔节期的根和叶中表现出高表达水平，这可能与它们在植物生长和发育中的核心调控作用有关。此外，qRT-PCR分析显示，在干旱、盐分和ABA（脱落酸）胁迫条件下，糜子的MBD基因在根中显著上调表达，说明这些基因可能在根系发育和胁迫响应中发挥重要作用。

值得注意的是，不同亚家族的MBD基因表现出不同的组织特异性表达模式。例如，亚家族I的PmMBD1和PmMBD4在穗期的叶片中高度表达，这与玉米中ZmMBD3和ZmMBD6在胚乳中的表达模式相似，而亚家族VII的PmMBD9则在根中表现出特异性表达。这些结果表明，MBD基因在不同组织和发育阶段中可能具有不同的调控功能，从而参与植物形态建成和生理过程的调控。

### 胁迫响应与功能机制

进一步分析表明，MBD基因在不同胁迫条件下的表达模式具有显著的组织特异性。在ABA处理中，PmMBD1、PmMBD2、PmMBD4、PmMBD6、PmMBD7、PmMBD9和PmMBD11在根中表现出较高的表达水平，而在茎和叶中表达相对较低。这可能表明这些基因在植物根系发育和胁迫响应中具有重要作用。此外，在盐胁迫和PEG（聚乙二醇）处理下，MBD基因的表达模式也表现出类似的组织特异性，根中表达显著增强，而茎和叶中的表达则随着胁迫浓度和时间的增加而增强。

这些基因的表达模式与它们的cis-acting调控元件密切相关。通过PlantCARE数据库分析，我们发现MBD基因的启动子区域包含多种与激素响应、生长发育和胁迫响应相关的调控元件。例如，MeJA（甲基茉莉酸）响应元件在大多数MBD基因中高度富集，而ABA响应元件在亚家族II和VII的MBD基因中尤为显著。这些调控元件的存在表明，MBD基因可能通过调控激素信号通路（如ABA和MeJA）来参与植物的胁迫响应和生长发育调控。

### 基因互作与功能网络

通过STRING数据库，我们预测了糜子MBD蛋白的蛋白-蛋白互作网络。结果表明，PmMBD蛋白之间存在复杂的互作关系，其中PmMBD2与PmMBD8之间具有直接互作，而其他MBD蛋白（如PmMBD1、PmMBD3、PmMBD5、PmMBD7、PmMBD9、PmMBD10和PmMBD11）也与其他蛋白质具有广泛的互作。这些互作可能涉及多个调控因子，如MYB转录因子和CHD3染色质重塑因子。其中，MYB转录因子在植物生长发育中具有多重调控功能，不仅参与根毛的形成，还调控花药和茎的形态建成，而CHD3则在染色质重塑中起关键作用。这些互作网络为深入研究MBD基因的功能和调控机制提供了重要线索。

### MBD基因与植物表型调控

MBD蛋白不仅参与调控植物的生长发育，还在植物形态建成和胁迫适应中发挥重要作用。例如，水稻中的OsMBD707在叶片中高度表达，其过表达导致水稻分蘖角增大和光周期敏感性降低，而小麦中的TaMBD9则可能通过调控叶角来影响植株形态。此外，MBD基因在植物根系发育和胁迫响应中的协同作用也可能通过调控ABA和MeJA信号通路实现。例如，ABA和MeJA的协同作用可能影响根系的生长方向和长度，从而优化根系结构，提高植物对干旱和盐胁迫的适应能力。

### 应用前景与研究意义

本研究首次系统鉴定了糜子基因组中的MBD基因家族，并揭示了其在植物生长发育和胁迫响应中的潜在作用。这些基因在不同组织和发育阶段中表现出显著的表达特异性，且在干旱、盐分和ABA胁迫下具有较强的响应能力。这些发现不仅有助于进一步解析MBD基因的功能和调控机制，还为通过分子育种手段提升糜子的胁迫耐受性和产量性状提供了重要的候选基因资源和理论依据。

此外，MBD基因在植物基因组进化中的作用也不容忽视。基因复制是植物基因组进化的重要驱动力，MBD基因家族可能通过片段复制等方式扩展，从而适应不同的环境挑战。通过分析这些基因的复制事件和选择压力，我们发现这些基因主要经历了纯化选择（Ka/Ks < 1），表明其序列在进化过程中保持了较高的稳定性，可能未经历强烈的适应性进化。

### 结论

本研究系统分析了糜子MBD基因家族的结构、功能和表达模式，揭示了其在植物生长发育和胁迫响应中的重要作用。MBD基因在不同组织和发育阶段中表现出显著的表达特异性，且在干旱、盐分和ABA胁迫下具有较强的响应能力。这些基因可能通过调控激素信号通路（如ABA和MeJA）来影响根系发育和胁迫适应。研究结果不仅有助于进一步解析MBD基因的功能和调控机制，还为通过分子育种手段提升糜子的胁迫耐受性和产量性状提供了重要的候选基因资源和理论依据。未来的研究可以进一步探索这些基因在植物形态建成和胁迫响应中的具体作用，以及它们在不同环境条件下的调控机制，从而为干旱农业系统中作物改良提供科学支持。