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植物基础转录因子 3（BTF3）在光合速率、生长发育及抗逆机制中至关重要，但芒草（Miscanthus sinensis）MsBTF3 过表达对正常环境下植物转录组的影响尚缺报道。本研究通过构建转 MsBTF3 基因烟草，结合转录组分析发现其引发植物生物过程广泛变化，为揭示 MsBTF3 调控机制提供新视角。
植物在生长发育与应对环境挑战的过程中，转录因子（TFs）如同精密调控网络的 “指挥官”，主导着基因表达的时空特异性。基础转录因子 3（BTF3）作为其中一员，不仅在光合速率调控、细胞增殖分化中扮演关键角色，还深度参与植物对干旱、盐碱等非生物胁迫及病原侵染的防御响应。然而，尽管已有研究揭示了小麦（Triticum aestivum）TaBTF3 沉默会导致叶肉细胞结构异常、水稻（Oryza sativa）OsBTF3 过表达可增强种子萌发耐盐性等现象，但针对芒草（Miscanthus sinensis）来源的 MsBTF3 基因，其在正常生长条件下如何影响植物全局转录组的动态变化，科学界仍知之甚少。
为填补这一认知空白，韩国江原国立大学（Kangwon National University）的研究团队开展了一项具有开拓性的研究。他们以模式植物本氏烟草（Nicotiana benthamiana）为载体，通过农杆菌介导的遗传转化技术，成功构建了 MsBTF3 过表达的转基因烟草株系，并运用高通量 RNA 测序（RNA-seq）结合生物信息学分析，系统性比较了转基因植株与野生型（WT）的转录组差异。这项研究成果于 2025 年发表在《BMC Genomics》，为解析 BTF3 家族基因的功能多样性提供了重要的数据支撑。
研究人员采用的核心技术方法包括：
- 基因克隆与载体构建：从芒草中克隆 MsBTF3 全长基因，插入含新霉素磷酸转移酶基因（nptII）的 pMBP1 载体，利用农杆菌 LBA4404 菌株介导转化。
- 转基因植株创制：通过叶片浸染法转化本氏烟草，经卡那霉素筛选获得 T0 代植株，自交收获 T1 代种子用于后续分析。
- 转录组测序与分析：提取 4 周龄植株叶片总 RNA，利用 Illumina NovaSeq 平台进行双端测序，通过 DESeq2 筛选差异表达基因（DEGs），结合 BLAST2GO 进行基因本体论（GO）功能注释。
- 实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）验证：选取 20 个 DEGs（10 个上调、10 个下调）进行表达量验证，确保转录组数据的可靠性。
研究结果
1. MsBTF3 的序列特征与转基因植株鉴定
MsBTF3 基因全长 474 bp，编码 158 个氨基酸，与柳枝稷（Panicum virgatum）PvBTF3 的氨基酸序列同源性高达 97.47%。PCR 及 RT-PCR 结果显示，MsBTF3 成功整合至烟草基因组并高效转录，转基因植株中内源性烟草 BTF3 基因（Nb04871T）表达量显著上调，提示外源 MsBTF3 可能通过某种机制激活宿主同源基因。
2. 转录组全局变化与功能富集分析
转录组分析共鉴定到 696 个差异表达的转录因子，其中 306 个上调、390 个下调。GO 分析显示，上调基因主要富集于 “生物过程” 类别，涵盖有机物代谢、初级代谢、细胞对刺激响应等 19 个子过程；下调基因则集中于 “代谢过程”，包括碳水化合物衍生物结合、蛋白质结合等功能。值得注意的是，转基因植株中与光合系统相关的基因（如 Nb03180T，叶绿体光系统 II 22 kDa 组分）、细胞壁重塑相关基因（如 Nb13433T，扩展蛋白 - B15 类似物）及防御相关基因（如 Nb17216T，β-1,3 - 葡聚糖内切酶）表达量显著升高，暗示 MsBTF3 可能通过协同调控多重通路增强植物基础生理功能与防御潜力。
3. 关键差异表达基因验证
qRT-PCR 结果显示，上调基因如 Nb03180T、Nb04871T 的表达量较野生型提升 2-40 倍，其中 Nb04871T 作为烟草内源 BTF3 基因，其高表达可能反映了 MsBTF3 对同源基因的正反馈调节机制。下调基因如 Nb01963T（β-1,3 - 葡聚糖内切酶 8 类似物）、Nb03726T（葡萄糖 - 甲醇 - 胆碱氧化还原酶）则呈现表达抑制，提示 MsBTF3 可能通过抑制特定代谢路径来优化资源分配。
结论与讨论
本研究首次揭示了 MsBTF3 过表达在正常生长条件下可引发植物转录组的广谱重塑，其核心作用体现在激活生物过程相关基因网络，同时精细调控代谢通路。研究发现，MsBTF3 与烟草内源 BTF3 基因存在显著协同效应，这一现象为解析 BTF3 家族的功能冗余性提供了新线索。此外，转基因植株中应激响应基因（如氧化应激 3 相关基因）的上调表达，暗示 MsBTF3 可能通过预激活防御机制增强植物的潜在抗逆能力，尽管本研究未直接验证胁迫条件下的表型，但为后续抗逆机制研究奠定了基础。
该研究的重要意义在于：
- 拓展了 BTF3 功能认知：突破了既往聚焦胁迫条件的研究框架，揭示了 MsBTF3 在正常生长状态下对植物基础生理过程的全局调控作用。
- 提供基因资源与技术参考：通过模式植物验证了芒草来源 BTF3 基因的功能保守性，为作物分子育种（如抗逆、高产性状改良）提供了新的基因靶点。
- 推动转录调控网络解析：鉴定出的 DEGs 及富集通路为构建 BTF3 调控模块提供了关键节点，有助于深入理解植物生长发育的转录调控逻辑。
综上所述，这项研究以严谨的实验设计和多维度数据分析，系统阐释了 MsBTF3 在植物转录组层面的调控效应，不仅为 BTF3 家族的基础研究添砖加瓦，更有望为可持续农业发展中作物改良策略的制定提供科学依据。未来研究可进一步聚焦 MsBTF3 与其他转录因子的互作机制，以及其在不同胁迫场景下的动态调控模式，以全面释放该基因在农业生物技术领域的应用潜力。
