南极苔藓 Pn2-ODD2 基因：植物抗逆 “卫士” 的奥秘探索

为探究苔藓中 2-oxoglutarate/Fe (II) 依赖的双加氧酶（2-ODDs）功能，山东大学等研究人员对南极苔藓 Pn2-ODD2 基因展开研究。结果发现该基因可增强植物对干旱和氧化应激的耐受性，为揭示植物适应极端环境机制提供依据。

　　在植物的奇妙世界里，黄酮类化合物就像一群隐藏的 “小精灵”，它们广泛存在于各类植物中，参与着众多重要的生理过程。黄酮类化合物不仅能帮助植物抵御外界的不良环境，像干旱、高盐和强紫外线辐射等，还在植物的生长、发育以及繁殖过程中发挥着关键作用。

在黄酮类化合物的合成路径中，有一类至关重要的酶 ——2-oxoglutarate/Fe (II) 依赖的双加氧酶（2-ODDs）。它们如同精准的 “工匠”，催化着一系列关键反应，对黄酮类化合物的合成起着决定性作用。然而，在苔藓这类最早登上陆地的植物群体中，2-ODDs 的生物学功能却如同神秘的面纱，鲜为人知。这一知识空白就像一个巨大的谜团，吸引着科研人员去探索。

为了揭开这个谜团，山东大学的研究人员将目光聚焦在了南极苔藓 Pohlia nutans 上。南极，那是一片被冰雪覆盖的神秘大陆，气候极端恶劣，低温、干燥、高盐和强烈的紫外线辐射是这里的常态。而生长在这片土地上的苔藓，却展现出了顽强的生命力。研究人员推测，南极苔藓中可能隐藏着适应极端环境的独特基因 “密码”，其中 Pn2-ODD2 基因或许就是解开这个 “密码” 的关键。

研究人员深入研究后发现，Pn2-ODD2 基因就像是植物体内的 “保护神”。当把它转入小立碗藓（Physcomitrium patens）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）中并使其过量表达时，奇迹发生了。在干旱环境下，小立碗藓的配子体生长得更为茁壮，拟南芥的种子发芽率也显著提高。而且，过量表达 Pn2-ODD2 基因的拟南芥对氧化应激的耐受性也大大增强，体内活性氧（ROS）生成基因的表达下调，总黄酮含量增加。同时，转基因植株对脱落酸（ABA）的敏感性降低，并且花青素和黄酮醇的含量明显上升。这一系列的发现，为我们揭示了植物适应极端环境的新机制，为植物抗逆研究开辟了新的方向。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是基因克隆技术，从南极苔藓基因组中成功获取 Pn2-ODD2 基因的全长序列；二是生物信息学分析，通过多种软件和在线工具对该基因及编码蛋白的结构和进化关系进行深入剖析；三是构建转基因植株，将 Pn2-ODD2 基因导入小立碗藓和拟南芥中；四是生理生化分析，检测植株在不同胁迫处理下的生长指标、相关物质含量及基因表达水平。

下面来详细看看研究结果：

1. Pn2-ODD2 基因的特征及生物信息学分析：Pn2-ODD2 基因的开放阅读框（ORF）全长 1068bp，编码 355 个氨基酸，预测分子量为 40.7kDa，等电点为 5.46。它含有 2-ODDs 家族的特征结构域，与其他物种的 2-ODDs 具有同源性，系统发育分析表明其与小立碗藓的一种可能的花青素合成酶（ANS）关系密切。并且，NaCl、PEG 和 ABA 处理均能诱导 Pn2-ODD2 基因表达上调。
2. 过表达 Pn2-ODD2 促进植物对渗透胁迫的抗性：在含有 D - 甘露醇的培养基上，过表达 Pn2-ODD2 的小立碗藓配子体生长速度明显快于野生型，转基因拟南芥在 0.1M 和 0.2M D - 甘露醇处理下的发芽率也显著高于野生型。同时，过表达植株积累的 ROS 水平较低，ROS 清除相关基因的表达上调，表明 Pn2-ODD2 通过提高植物的抗氧化能力增强了对干旱胁迫的抗性。
3. Pn2-ODD2 赋予拟南芥对氧化应激的耐受性：在 H₂O₂处理下，过表达 Pn2-ODD2 的拟南芥幼苗根长增加，侧根数量增多，ROS 生成基因 AtRbohC 和 AtRbohD 的表达下调，对 3 - 氨基 - 1,2,4 - 三唑（3-AT）诱导的 ROS 敏感性降低，总黄酮和花青素含量升高，说明 Pn2-ODD2 通过降低 ROS 水平和增加花青素积累提高了植物对氧化应激的耐受性。
4. Pn2-ODD2 降低转基因小立碗藓和拟南芥对 ABA 的敏感性：在 ABA 处理下，过表达 Pn2-ODD2 的小立碗藓配子体和拟南芥种子的生长受抑制程度小于野生型。qRT-PCR 分析表明，转基因小立碗藓中 ABA 不敏感基因 PpABI3a、PpABI3b 和 PpABI5b 的表达下调，而转基因拟南芥中 ABA 响应基因 AtRD29A、AtRD29B 和 AtAREB1 的表达上调，表明 Pn2-ODD2 可能通过调节 ABA 信号通路相关基因的表达来降低植物对 ABA 的敏感性。
5. Pn2-ODD2 增强转基因拟南芥中花青素和黄酮醇的积累：过表达 Pn2-ODD2 的拟南芥在光照或蔗糖诱导下，花青素含量显著增加，花青素合成相关基因 AtPAL、AtCHS、AtF3’H、AtDFR 和 AtUFGT 的表达上调。同时，在蔗糖诱导下，转基因植株中黄酮醇（山奈酚和槲皮素）的含量也明显增加。

综合研究结论和讨论部分，Pn2-ODD2 基因在植物应对非生物胁迫过程中发挥着重要作用。它不仅增强了植物对干旱和氧化应激的耐受性，还调节了植物对 ABA 的敏感性以及黄酮类化合物的代谢。这一发现为深入理解苔藓植物适应极端环境的分子机制提供了重要线索，也为利用基因工程手段提高植物抗逆性奠定了理论基础，在农业生产和植物保护领域具有潜在的应用价值。