四物种兰科植物LBD基因家族全基因组鉴定及CsiLBD27在墨兰花发育中的潜在调控机制

为解决兰科植物LBD基因家族功能未知的问题，研究人员对四种兰属植物（Cymbidium）开展全基因组鉴定与功能分析，发现122个LBD基因具有组织特异性表达模式，并通过酵母单杂交验证CsiLBD27直接调控花发育关键基因CsiSEP3的转录。该研究为兰科植物形态建成的分子机制提供了新见解，发表于《BMC Genomics》。

　　

兰科植物以其惊人的形态多样性著称，尤其是兰花独特的唇瓣和合蕊柱结构，但调控这些复杂性状的分子机制仍不明确。LBD（Lateral Organ Boundaries Domain）作为植物特有的转录因子家族，虽然在拟南芥、水稻等模式植物中被证实参与器官边界形成和发育调控，但在兰科植物中仍属研究空白。更棘手的是，兰花的遗传转化体系尚未成熟，制约了基因功能的实验验证。

广东省农业科学院环境园艺研究所的研究团队选择兰属（Cymbidium）四个代表性物种——墨兰（C. sinense）、建兰（C. ensifolium）、春兰（C. goeringii）和虎头兰（C. mannii）展开突破性研究。通过整合比较基因组学、转录组学和分子实验，首次系统解析了兰科植物LBD基因家族的进化规律与功能分化，发现CsiLBD27可能通过激活花分生组织决定基因CsiSEP3来调控墨兰的花型建成。这项研究为兰花分子育种提供了关键靶点，论文发表于《BMC Genomics》。

研究团队采用多组学联用策略：基于全基因组数据鉴定LBD基因；通过系统发育树构建进行亚家族分类；利用PlantCARE分析启动子顺式元件；结合RNA-seq数据解析时空表达模式；采用酵母单杂交验证转录调控关系；借助GO和KEGG富集预测靶基因功能。

结果部分揭示三大发现

1. 基因家族特征：在四物种中鉴定到122个LBD基因，分为Class I（109个）和Class II（13个）。Class I特有的LX₆LX₃LX₆L亮氨酸拉链结构域和GAS保守域，与拟南芥分类标准一致。值得注意的是，墨兰中Class I占比高达90.32%，暗示其可能进化出特殊功能。

2. 调控机制解析：启动子分析发现110个基因含ABA响应元件ABRE。ABA处理后，CsiLBD13/19/21在叶片或花中表达显著上调（最高达25倍）。更有趣的是，虎头兰中9个CmaLBD基因呈现明显昼夜节律表达，可能与CAM光合途径相关。

3. 功能验证突破：酵母单杂交实验证实CsiLBD27能结合花发育关键基因CsiSEP3的启动子并激活其转录。AlphaFold3结构预测显示，CsiLBD27可能通过C末端可变区与AGAMOUS（CsiAG）蛋白互作，共同调控合蕊柱发育。

结论与讨论
该研究绘制了兰科植物LBD基因的首张"功能地图"：进化上，串联复制和片段复制共同驱动基因家族扩张；功能上，LBDs通过激素响应（如ABA）和转录调控（如靶向SEP3）参与花器官分化。特别值得注意的是，CsiLBD27-SEP3调控轴的发现为兰花人工设计育种提供了新靶点，而LBDs在叶色变异（如建兰彩叶）和昼夜代谢（如虎头兰）中的调控线索，则开辟了观赏性状改良的新研究方向。未来需通过CRISPR-Cas9基因编辑等技术进一步验证这些候选基因的功能，推动兰花分子育种进入精准调控时代。