水稻干旱响应基因中翻译效率驱动的密码子使用偏好性及其选择压力研究

为应对干旱胁迫导致的全球水稻产量损失（>25%），研究人员通过异源表达技术开展抗旱水稻育种。本研究首次系统解析了水稻分蘖期、孕穗期和抽穗期干旱响应基因的同义密码子使用偏好性（CUB），发现高表达基因在密码子第三位点具有更高GC含量及更强CUB特征，干旱条件会改变脯氨酸等关键氨基酸的最优密码子选择。中性绘图与Ka/Ks比值 分析揭示纯化选择通过优化翻译效率主导密码子进化，为抗旱水稻的基因理性设计提供了新范式。

　　

干旱胁迫正严重威胁全球水稻(Oryza sativa)生产，可造成超过25%的产量损失。通过基因工程手段异源表达抗旱基因培育耐旱水稻品种，成为极具前景的解决方案。虽然同义密码子使用偏好性(codon usage bias, CUB)调控基因表达的机制已被认识数十年，但其对水稻不同发育阶段干旱响应基因表达的影响仍不清楚。

这项研究聚焦水稻三个关键发育时期——分蘖期、孕穗期和抽穗期，系统解析了干旱响应基因的CUB特征。结果显示，密码子使用变异与基因GC含量显著相关，且高表达基因在密码子第三位点呈现更高的GC含量和更强的CUB。有趣的是，干旱条件会改变脯氨酸(Pro)、丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)、组氨酸(His)、天冬酰胺(Asn)和天冬氨酸(Asp)等关键氨基酸的最优密码子选择。

通过中性绘图和Ka/Ks_比值
分析发现，纯化选择是驱动密码子进化的主要力量，倾向于选择能优化翻译效率的密码子。这些发现为通过理性基因设计提升异源表达效率、培育耐旱水稻新品种提供了重要理论依据。