碱茅谷氧还蛋白家族全基因组鉴定及盐胁迫响应机制解析

本研究针对高耐盐牧草碱茅(Puccinellia tenuiflora)中谷氧还蛋白(GRX)家族功能未知的科学问题，通过全基因组分析鉴定出25个PutGRX基因，系统解析其进化关系、表达模式及亚细胞定位，首次证实叶绿体定位的PutGrxS12通过调控ROS清除增强植物耐盐性，为作物抗逆遗传改良提供新靶点。

　　

在土壤盐碱化日益严重的背景下，寻找植物耐盐机制成为农业可持续发展的关键科学问题。碱茅(Puccinellia tenuiflora)作为能在600 mM NaCl和pH 11.0极端环境下生长的"盐碱地先锋植物"，其独特的耐盐机制一直备受关注。然而，作为调控氧化还原平衡的核心蛋白家族，谷氧还蛋白(Glutaredoxin, GRX)在碱茅中的功能体系仍属空白。这项由东北林业大学盐碱地植被恢复教育部重点实验室团队完成的研究，首次绘制了碱茅GRX家族的完整图谱，揭示了其在盐胁迫响应中的关键作用，相关成果发表在《BMC Plant Biology》。

研究团队运用生物信息学与分子生物学相结合的策略：基于碱茅染色体水平基因组数据，采用BLASTp比对和CD-search验证鉴定GRX成员；通过MEGA-X构建包含拟南芥、水稻等122个GRX的系统发育树；利用MEME和PlantCARE分析基因结构与顺式元件；结合RT-qPCR检测组织特异性及盐胁迫(NaCl/NaHCO₃/Na₂CO₃)响应模式；最后通过拟南芥遗传转化验证PutGrxS12功能。

主要研究结果
比较进化分析揭示GRX家族保守性
通过构建包含25个碱茅PutGRX、31个拟南芥AtGRX的122成员系统发育树，发现PutGRX可分为CPYC型(11个)、CGFS型(5个)和CC型(9个)三大类。值得注意的是，碱茅CC型GRX与水稻OsGRX聚类紧密，暗示单子叶植物特有的功能分化。

染色体分布与复制事件
8个PutGRX密集分布于6号染色体，Ka/Ks分析显示PutGrxC2/PutGrxC3等基因对经历纯化选择，表明功能约束下的片段复制是家族扩张主要驱动力。

结构特征与调控元件
启动子分析发现988个顺式元件，包括312个干旱响应元件(MYB/MYC)和270个激素响应元件(ABRE/TGACG)，暗示PutGRX广泛参与逆境应答。CGFS型成员均含保守CGFS[Fe₂S₂]簇结合域，而CPYC型保留C[P/S]Y[C/S]氧化还原活性中心。

亚细胞定位预测
16个PutGRX定位于叶绿体，其中PutGrxS12通过实验验证其叶绿体定位特性，且半胱氨酸突变(C78S/C136S)不影响定位模式。

盐胁迫响应模式
NaCl处理诱导叶片中PutGrxS12表达量提升3.5倍，而根部PutGrxC9对Na₂CO₃响应最显著。相反，PutROXY5等CC型成员在盐处理下普遍下调，显示功能分化。

PutGrxS12功能验证
过表达PutGrxS12的拟南芥株系ROS积累减少50%，生物量增加30%，而atgrxs12突变体呈现生长迟滞表型，证实该基因通过调控叶绿体氧化还原平衡增强耐盐性。

研究意义
该研究首次系统阐明碱茅GRX家族的进化特征与功能分工：CPYC型主要响应氧化胁迫，CC型参与发育调控，CGFS型负责[Fe₂S₂]簇装配。特别重要的是，发现叶绿体定位的PutGrxS12通过双重机制——维持基础生长所需的氧化还原稳态和激活盐胁迫下的ROS清除途径——赋予植物耐盐能力。这一发现不仅填补了单子叶植物GRX功能研究的空白，更为设计"氧化还原调控模块"的分子育种策略提供了理论依据。研究建立的碱茅GRX数据库将为后续深入解析植物耐盐的分子网络奠定基础。