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为解决森林树木中微管蛋白基因家族信息有限的问题，南京林业大学的研究人员对杨树（Populus deltoides）微管蛋白基因家族展开研究。他们鉴定出 25 个PdTubulin基因，明确其进化和表达模式。该研究对杨树遗传改良意义重大，值得科研读者一读。
在神奇的植物世界里，细胞就像一个个小小的 “魔法工厂”，有条不紊地进行着各种生命活动。而微管（由微管蛋白组成的管状结构，在细胞内发挥着重要作用，比如维持细胞形态、帮助细胞运输物质等）的主要成分 —— 微管蛋白（Tubulin proteins），则像是这个 “工厂” 里的神奇工匠，掌控着许多关键环节。它不仅参与植物形态的塑造，还帮助植物适应复杂多变的环境。
在木本植物中，微管与次生木质部细胞中纤维素微纤丝沉积的方向密切相关，就如同建筑工人精心铺设砖块一样，微管决定了纤维素微纤丝的排列方式，进而影响木材的强度和柔韧性。微管蛋白主要有 α、β 和 γ 三种类型，其中 α - 微管蛋白（α - tubulin，TUA）和 β - 微管蛋白（β - tubulin，TUB）是微管的基本组成单位，γ - 微管蛋白（γ - tubulin，TUBG）则负责引导微管的成核过程。
虽然科学家们对草本植物中的微管蛋白基因家族已经有了一定的了解，但对于森林树木中的微管蛋白基因家族，所知却十分有限。就像在茂密的森林中，隐藏着许多不为人知的秘密等待我们去揭开。杨树作为一种重要的木本植物，在林业和造纸工业中具有举足轻重的地位，同时它还是遗传研究的模式树种。然而，之前虽然对杨树中的部分微管蛋白基因家族进行过研究，但不同杨树品种之间的遗传差异仍有待探索。于是，为了填补这一知识空白，南京林业大学的研究人员决心深入探究杨树中的微管蛋白基因家族，为杨树的遗传改良和林业生产提供有力支持。
最终，他们的研究成果发表在了《BMC Plant Biology》期刊上，论文题目是《Genome-wide identification, evolution, and expression analysis of the tubulin gene family in Populus deltoides》。通过一系列深入研究，研究人员发现了许多有趣且重要的结论。他们在杨树基因组中成功鉴定出 25 个 PdTubulin 基因，这些基因在 14 条染色体上的分布并不均匀，而且大部分 PdTubulin 基因是通过全基因组复制（WGD）、γ - 全基因组复制（γ - WGD）或片段复制产生的旁系同源重复基因，这表明杨树的微管蛋白基因家族经历了多次扩张。同时，研究还发现所有的旁系同源和直系同源微管蛋白基因对都受到了强烈的纯化选择。此外，表达分析显示，每个 PdTubulin 基因在根、叶或茎这三种器官中都有优先表达的倾向，部分 PdTUB 旁系同源基因还表现出相似的表达模式，暗示它们可能存在功能冗余。在花芽发育过程中，不同的微管蛋白基因成员在不同阶段发挥着关键作用，并且可能存在性别特异性偏好。这些发现对于深入理解杨树的生长发育机制以及遗传改良具有重要意义，就像为我们打开了一扇通往杨树遗传奥秘的大门，让我们能够更好地利用这些知识来培育更优质的杨树品种。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，通过 BLASTP 和 HMM 搜索技术，从杨树基因组中筛选出微管蛋白基因；接着，利用生物信息学工具对这些基因进行理化性质分析、系统发育分析、基因结构和保守基序分析；然后，运用基因复制和共线性分析技术，探究基因的复制模式和进化关系；最后，采用 RNA 提取和定量实时 PCR（qRT-PCR）技术，研究基因在不同组织和发育阶段的表达模式 。
下面我们来详细看看研究人员的具体研究结果。
1. 杨树中微管蛋白基因的鉴定
研究人员通过 BLASTP 和 HMM 搜索，在杨树基因组中总共鉴定出 25 个微管蛋白基因，包括 6 个 TUA - 型、17 个 TUB - 型和 2 个 TUBG - 型成员。这个数量比拟南芥、水稻和玉米都要多，而且 PdTUB 基因的数量远高于 PdTUA 基因，这与高等植物中 β - 微管蛋白亚型通常多于 α - 微管蛋白的现象相符。这些基因被重新命名，并被发现不均匀地分布在 14 条染色体上。比如，杨树最大的染色体 Chr1 上就含有最多的微管蛋白基因。同时，研究人员还对这些基因编码的蛋白质进行了理化性质分析，发现 PdTubulin 蛋白质的分子量在 48.31 kD（PdTUA3）到 53.41 kD（PdTUBG2）之间，理论等电点都小于 6.0，属于酸性蛋白。除了部分基因外，大多数微管蛋白在杨树中都是稳定蛋白，并且 TUA - 型和 TUBG - 型的 PdTubulin 比 TUB - 型具有更高的热稳定性，所有 PdTubulin 蛋白都具有亲水性。
2. 微管蛋白基因家族的系统发育分析
为了探究 PdTubulin 基因的进化关系，研究人员构建了无根邻接树。在 α - 微管蛋白树中，来自五个物种的 30 个 TUA 被分为两个单系分支，即 TUA I 类和 TUA II 类。这与之前的研究结果一致，表明开花植物中的 α - 微管蛋白在单子叶植物和双子叶植物分离之前就已经分化为这两类。在每个类群中，双子叶植物和单子叶植物的 TUA 成员既有各自聚类的情况，也有混合在同一分支的情况。而且，每个 PdTUA 在毛果杨中都有一个姐妹同源基因，说明它们来自同一个祖先。相比之下，植物 TUBs 的进化关系更为复杂，研究人员将来自五个物种的 62 个 TUBs 大致分为四个类（TUB I - IV 类）。TUB I 类的大多数基因在 5′ UTR 区域含有一个内含子；TUB II 类在双子叶植物中占主导；TUB III 类由两个独立的簇组成，其中一些基因在特定位置存在独特的氨基酸残基，这些氨基酸的差异可能赋予不同微管蛋白亚型不同的特性；TUB IV 类只存在于杨树中，暗示这个特定的祖先 TUB 基因在杨树谱系中被保留并特异性扩张。
3. 杨树和拟南芥微管蛋白基因的共线性分析
杨树和拟南芥都属于真双子叶植物中的蔷薇分支，有着较近的亲缘关系。通过跨基因组比较，研究人员在杨树和拟南芥之间检测到 9 对共线性直系同源微管蛋白基因对，在毛果杨和拟南芥之间检测到 15 对。这些共线性直系同源基因对大多分布在 TUB III 类的两个单系群中，并且它们的 Ka/Ks 比值都小于 0.04，这表明在进化过程中这些基因受到了强烈的纯化选择。此外，通过对杨树、拟南芥和毛果杨进行基因组内共线性分析，研究人员发现杨树谱系中保留的微管蛋白旁系同源基因比拟南芥多，而且 WGD / 片段复制对杨树微管蛋白基因的扩张贡献最大。大多数 TUA 旁系同源基因聚集在系统发育树的 II 类中，而 TUB 旁系同源基因则广泛分布在各个类中。
4. 杨树微管蛋白基因的扩张模式
之前的研究表明，杨树经历了多次全基因组复制事件。研究人员通过计算含有微管蛋白旁系同源基因的共线性染色体块（SCBs）中重复基因的中位数 Ks 值，发现杨树中这些 SCBs 的中位数 Ks 值可以分为两类。一类与 p - WGD 事件相关，另一类与更古老的 γ - 三倍化事件相关。大部分杨树 TUA 旁系同源基因来自 γ - 三倍化事件，而几乎所有的 TUB 旁系同源基因都来自 p - WGD 事件。这说明微管蛋白基因家族通过全基因组复制事件经历了多次扩张，增加了杨树微管蛋白基因的复杂性和功能多样性。同时，研究还发现，虽然拟南芥也经历了全基因组复制事件，但杨树和拟南芥中 TUA 和 TUB 基因的数量比例与理论预期不符，这意味着拟南芥中微管蛋白基因的丢失速率可能比杨树快，或者杨树中微管蛋白基因的扩张速度更快。而且在杨树中，TUA 基因的数量在全基因组复制事件后受到更严格的差异选择丢失的限制，而 TUB 基因可能经历了偏向性保留。
5. PdTubulins 的基因结构和保守基序分析
研究人员对 PdTubulins 进行基因结构和保守基序分析后发现，旁系同源的 PdTubulin 基因结构相似。大多数 PdTUAs 有四个内含子，PdTUBs 有两个或三个内含子，而 γ - PdTUBGs 则有十一个内含子。不同类别的 α - 微管蛋白和 β - 微管蛋白在开花植物中具有特定的内含子模式，杨树中的 PdTubulins 也遵循这些模式，但存在一些变异。比如，PdTUA5 具有 I 类 α - 微管蛋白基因的典型内含子模式，而 PdTUA3 则有额外的内含子。在 β - 微管蛋白中，大多数 PdTUBs 具有保守的内含子位置和相位，但 PdTUB14 存在内含子变异，并且部分 I 类 PdTUBs 在 5′ UTR 区域有独特的内含子。通过 MEME 分析，研究人员还发现了 PdTubulin 蛋白中的保守基序。除了少数基因外，大多数 PdTUA 和 PdTUB 成员都包含 1 - 11 号基序，14 号基序是 PdTUA 特有的，12 号基序是 PdTUB 特有的，PdTUBGs 中有 10 个保守基序，其中 13 号和 15 号基序是其特有的。这些基序的序列保守性暗示了它们潜在的重要功能，而不同微管蛋白亚型中基序组成的差异则反映了它们在进化过程中的保守性和分化。
6. PdTubulins 在不同器官中的表达分析
为了了解 PdTubulins 的潜在功能，研究人员分析了它们在杨树不同营养器官中的表达模式。通过对转录组数据的分析，他们发现 25 个 PdTubulin 基因在根、茎、叶中的表达存在差异，每个基因都倾向于在特定器官中优先表达，没有一个基因在三个营养器官中组成性表达，这表明它们可能具有器官特异性功能。为了验证这一结果，研究人员选取了部分基因进行 qRT-PCR 分析，结果与转录组数据大致相符。此外，研究人员还对这些基因在杨树雌雄花芽不同发育阶段的表达进行了分析，发现大多数基因在雌花中的表达高于雄花，并且在花芽发育的不同阶段，基因的表达模式也有所不同。比如，一些基因在花芽发育早期达到表达高峰，而另一些基因则在中期或晚期表现出较高的表达水平。这些结果表明不同的微管蛋白成员在花芽发育的不同阶段可能发挥着关键作用，并且存在潜在的性别特异性偏好。同时，研究还发现部分 PdTubulin 旁系同源基因对在不同器官中的表达模式一致或相似，这暗示它们可能存在功能冗余。虽然杨树和拟南芥之间的微管蛋白共线性直系同源基因受到强烈的纯化选择，但只有一对基因（PdTUB8 和 AtTUB5）在叶片中保持最高表达的保守模式，它们的功能相似性还有待进一步验证。
综合研究结果和讨论部分，这项研究首次对杨树中的微管蛋白基因家族进行了全面而系统的分析。研究人员不仅鉴定出了杨树中的 25 个微管蛋白基因，还深入探究了它们的进化关系、基因扩张模式、基因结构特征以及表达模式。这些发现揭示了杨树微管蛋白基因家族的复杂性和多样性，为我们理解杨树的生长发育机制提供了重要线索。而且，研究中发现的基因复制事件、功能冗余以及不同组织和发育阶段的特异性表达等现象，对于杨树的遗传改良具有重要的指导意义。比如，我们可以利用这些知识，通过基因工程手段调控微管蛋白基因的表达，从而培育出木材质量更好、适应环境能力更强的杨树品种。此外，这项研究也为其他木本植物微管蛋白基因家族的研究提供了参考，有助于推动整个植物学领域对微管蛋白功能和进化的深入理解，就像在植物遗传研究的道路上点亮了一盏明灯，为后续的研究指引了方向。
