藜麦AAT基因家族全基因组鉴定及其在非生物胁迫下的表达模式分析

本研究针对藜麦中氨基酸转运蛋白(AAT)家族在非生物胁迫响应中的调控机制尚不明确的问题，由云南农业大学等单位研究人员通过生物信息学方法系统鉴定了147个CqAATs基因，发现其在不同组织和逆境条件下呈现显著差异表达，特别是GAT亚家族的AUR62031750和AUR62023955基因在高温、低温、涝渍和干旱胁迫中均显著上调。该研究为解析藜麦抗逆分子机制和品质改良提供了重要靶点，成果发表于《BMC Genomics》。

　　

在当今全球气候变化和粮食安全挑战日益严峻的背景下，藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)作为一种"超级食物"因其卓越的营养价值和环境适应性备受关注。这种神奇的作物能在贫瘠土壤、干旱和极端温度条件下生长，但其背后的分子机制却鲜为人知。特别是在氨基酸转运这一关键生理过程中，氨基酸转运蛋白(AAT)家族如何帮助藜麦应对环境压力，一直是科学家们亟待破解的谜题。氨基酸不仅是蛋白质合成的基石，更是植物氮素吸收和分配的关键载体，而AAT家族作为"分子搬运工"，在植物生长发育和逆境响应中扮演着举足轻重的角色。然而，与其他作物相比，藜麦AAT基因家族的系统研究仍是一片空白。

为了揭开这一科学谜题，云南农业大学等单位的研究人员开展了一项开创性研究，首次在藜麦全基因组水平鉴定了AAT基因家族，并深入解析了其在各种非生物胁迫下的表达规律。这项研究成果发表在《BMC Genomics》上，为理解藜麦的抗逆机制和品质改良提供了重要理论依据。

研究团队采用生物信息学分析方法，首先通过双向BLAST和隐马尔可夫模型(HMM)从藜麦基因组中筛选候选基因，随后利用ExPASy等工具分析蛋白理化性质。系统进化分析采用MEGA11软件构建邻接树(NJ)，基因结构和保守基序通过MEME和GSDS2.0分析。染色体定位和共线性使用MCScanX完成，启动子顺式元件通过PlantCARE预测。表达模式分析基于NCBI GEO数据库的转录组数据和实验室前期产生的胁迫处理数据，采用DESeq2进行差异表达分析。

研究首先在全基因组水平鉴定出147个CqAATs基因，这些基因不均匀地分布在18条染色体上，其中1号染色体分布最多(13个)。通过系统进化分析将这些基因划分为12个亚家族，其中ATLb亚家族成员最多(26个)，而ANT和TTP亚家族各仅有2个成员。基因结构和保守基序分析显示，同一亚家族成员具有相似的外显子-内含子结构和基序组成，如GAT亚家族特有的Motif 10和AUX亚家族特有的Motif 18。

染色体共线性分析揭示了藜麦AAT基因家族的进化特征。与拟南芥和水稻分别存在34对和15对共线性基因，表明藜麦与拟南芥的亲缘关系更近。启动子分析发现所有CqAATs基因均含有激素响应和光响应元件，大多数基因还包含低温响应等胁迫相关元件，暗示其可能参与多种胁迫响应。

组织表达谱分析揭示了CqAATs的时空特异性。这些基因在根、茎、叶和花中高表达，而在果实中表达较低。值得注意的是，不同颜色藜麦(黄藜和白藜)的花和果实中AAT表达模式高度保守，但GAT亚家族的AUR62023955在白藜花中表达显著高于黄藜。

在多种非生物胁迫下，CqAATs展现出动态响应模式。干旱胁迫下，9个基因显著上调，13个基因下调；涝渍胁迫诱导13个基因上调，其中GAT亚家族的AUR62031750和AUR62023955持续高表达。温度胁迫分析发现，AUR62041196(CAT亚家族)和AUR62043406在低温和冻害中均被激活，而AUR62017169(AAP亚家族)则是耐冷品种特有的冷响应基因。

营养胁迫响应分析揭示了CqAATs在养分利用中的关键作用。在氮胁迫下，红藜中AUR62023955在低氮和高氮条件下均上调，可能作为氮平衡调控枢纽；磷胁迫下，ANT亚家族的AUR62002054和GAT亚家族的AUR62023955在低磷红藜中显著上调；钾胁迫响应中，红藜表现出更强的敏感性，7个基因在低钾条件下上调。

这项研究首次系统鉴定了藜麦AAT基因家族，揭示了其在生长发育和逆境响应中的重要作用。特别是发现GAT亚家族的AUR62031750和AUR62023955作为核心调控因子，在多种胁迫条件下持续激活，可能是藜麦广谱抗逆性的关键。这些发现不仅丰富了植物氨基酸转运的理论体系，更为藜麦抗逆育种和品质改良提供了分子靶点。研究还发现红藜比白藜对营养胁迫更敏感，这为藜麦品种选择和精准施肥提供了科学依据。未来通过分子设计育种调控这些关键AAT基因的表达，有望培育出更具抗逆性和营养价值的藜麦新品种，对保障粮食安全和应对气候变化具有重要意义。