胡杨PhIPT5转录因子克隆及其调控细胞分裂素代谢增强抗寒性的分子机制研究

为解决胡杨(Populus hopeiensis)在寒冷地区生长受限的问题，内蒙古农业大学研究人员成功克隆PhIPT5基因，证实其通过调控细胞分裂素(CTK)代谢途径合成tZ/iP/DZ型激素，显著提升转基因植株的SOD/POD活性并降低MDA含量，为林木抗寒育种提供新靶点。发表于《BMC Plant Biology》的这项研究首次揭示木本植物中ATP/ADP-IPTs介导的低温响应机制。

　　

在西北地区生态建设中，胡杨作为重要的造林树种，其生长常受低温胁迫制约。植物激素网络调控是应对环境胁迫的核心机制，其中细胞分裂素(CTK)作为关键调控因子，通过IPT（异戊烯基转移酶）介导的生物合成途径影响植物抗逆性。然而，木本植物尤其是胡杨中IPT基因的功能研究仍属空白，制约了分子育种技术的应用。

内蒙古农业大学的研究团队通过克隆胡杨PhIPT5基因，系统解析了该基因在低温胁迫下的调控机制。研究发现PhIPT5编码的37.07 kDa碱性亲水蛋白定位于叶绿体，与白杨(Populus alba)的IPT5同源蛋白进化关系最近。转基因植株在5℃胁迫下表现出显著优势：SOD活性提升2.1倍，POD活性增加1.8倍，同时MDA含量降低38%，证实PhIPT5通过增强抗氧化系统减轻膜脂过氧化损伤。

研究采用qRT-PCR、UPLC-MS/MS等技术，首次绘制胡杨细胞分裂素代谢全景图。低温胁迫下，转基因株系中tZ型CTK含量保持野生型6倍水平，iP和DZ型激素稳定性显著优于对照。KEGG通路分析揭示PhIPT5主要调控IPP（异戊烯焦磷酸）代谢途径，促进tZ/iP/DZ合成而非tRNA-IPTs主导的cZ途径。这一发现为木本植物激素调控网络提供了新认知。

关键实验技术包括：1）基于转录组数据的基因克隆与系统发育分析；2）GFP融合蛋白的烟草瞬时表达亚细胞定位；3）农杆菌介导的胡杨遗传转化；4）低温胁迫生理指标（电导率、MDA、抗氧化酶）检测；5）LC-MS/MS细胞分裂素代谢组学分析。

【PhIPT5基因克隆与特性】从胡杨cDNA中分离出981 bp的CDS区，编码333个氨基酸。生物信息学预测显示该蛋白具有碱性(pI=7.64)和亲水性(GRAVY=-0.223)特征，与白杨IPT5相似度达92%。

【低温响应模式】qRT-PCR显示25℃时PhIPT5表达稳定，5℃胁迫下表达量骤降75%，表明其受低温负调控。

【亚细胞定位】叶绿体定位的PhIPT5-GFP信号与内质网标记HDEL-mCherry共定位，暗示其可能参与光合器官的胁迫响应。

【转基因株系构建】通过pCAMBIA1302载体获得7个过表达株系，PCR验证显示512 bp特征条带。

【抗寒表型分析】5℃处理3小时后，转基因株系叶绿素a含量比野生型高42%，电解质渗漏率降低29%，证实膜系统稳定性增强。

【代谢通路解析】鉴定到36种CTK代谢物，其中tZR(反式玉米素核苷)在转基因株系中含量达12.3 nmol/gFW，显著高于野生型的2.1 nmol/gFW。

该研究首次证实胡杨PhIPT5通过"IPP→iP→tZ/DZ"代谢轴增强抗寒性，突破了传统认为tRNA-IPTs途径主导CTK合成的认知。实践中，该基因可作为分子标记用于筛选抗寒种质，其过表达载体为基因工程育种提供新工具。理论层面，研究揭示了木本植物与草本植物在CTK低温响应通路的差异，为植物激素进化研究提供新视角。论文发表于《BMC Plant Biology》，为寒地造林树种改良提供了重要理论基础。