藜麦褪黑素生物合成途径的全基因组解析及其在盐旱胁迫下的基因表达调控机制

这篇综述系统鉴定了藜麦(Chenopodium quinoa)中10个褪黑素生物合成基因（3个TDCs、2个T5Hs、3个SNATs和2个ASMTs），通过生物信息学分析揭示了其结构特征与启动子顺式作用元件，并结合生理实验证明外源褪黑素能显著缓解盐胁迫（300 mM NaCl）和干旱胁迫（40% FC）对敏感品种Salcedo的负面影响，包括提高相对含水量（RWC）16-37.6%、降低电解质渗漏20.6%，而耐受品种Ames 1377因固有抗性机制受影响较小。研究为作物抗逆育种提供了关键靶点基因。

　　

褪黑素生物合成基因在藜麦中的鉴定与表征

通过生物信息学方法在藜麦基因组中首次鉴定出10个褪黑素生物合成基因，包括3个TDCs（CqTDC1-3）、2个T5Hs（CqT5H1-2）、3个SNATs（CqSNAT1-3）和2个ASMTs（CqASMT1-2）。理化性质分析显示CqTDC2是最大蛋白（71.96 kDa），而CqSNAT3最小（11.55 kDa）。亚细胞定位预测表明TDCs定位于质膜和细胞骨架，SNATs分布于叶绿体和线粒体，ASMTs则集中在细胞质。系统发育分析揭示CqTDC2/3与水稻OsTDC2、拟南芥AtTDC同源，而CqASMTs归类于Class II甲基转移酶家族。

基因结构与调控元件特征

启动子分析发现TDC和SNAT基因富含MYB/MYC等应激响应元件（占比46%），而ASMT基因启动子含最多光响应元件Box 4（16个）。MEME工具鉴定出10个保守基序，如TDCs的吡哆醛依赖脱羧酶域和ASMTs的O-甲基转移酶域。基因结构显示CqTDC3和CqSNAT2为单外显子基因，而CqSNAT1含6个外显子，暗示可变剪接可能。蛋白质互作网络表明SNAT/ASMT聚类于乙酰化相关功能模块，与应激响应通路密切关联。

褪黑素对盐旱胁迫的缓解效应

在敏感型Salcedo中，300 mM NaCl和40% FC处理分别使株高降低20.3%和23.7%，而70 μM褪黑素处理显著逆转这种抑制（增幅16-21.3%）。生理数据显示褪黑素使盐胁迫下的RWC提升37.6%，电解质渗漏降低20.6%。耐受型Ames 1377因固有抗性机制，褪黑素效果不显著。双因素方差分析证实基因型与处理间存在显著互作（p<0.05），表明褪黑素效应具有基因型依赖性。

组织特异性基因表达模式

qRT-PCR揭示CqT5H1在盐旱胁迫下根部表达激增（12.4-42.86倍），而叶部仅上调3.25倍。CqSNAT1在Salcedo根部受干旱诱导表达升高42.86倍，但外源褪黑素使其降低89%。值得注意的是，ASMTs在耐受型根部呈现52.8倍超诱导，而在敏感型叶部下调74%，暗示根部是褪黑素合成的关键场所。启动子分析支持的应激元件分布与这些表达模式高度吻合。

进化与功能启示

比较基因组学显示CqTDC1与中国喜树CaTDC直系同源，而CqASMTs与桑树MnASMT4-16进化关系最近。GO富集发现这些基因与腐胺和JA信号通路交叉，揭示了褪黑素调控网络的多层次性。研究首次绘制了藜麦褪黑素合成通路图谱，为利用基因编辑靶向改良作物抗逆性提供了理论依据，特别是ASMT2和T5H1可作为关键育种靶点。