烟草GH3 β-葡萄糖苷酶家族全基因组鉴定揭示NtBGLC12促进生长的分子机制

本研究通过全基因组筛选鉴定烟草中19个GH3家族β-葡萄糖苷酶基因（NtBGLCs），发现NtBGLC12通过提升β-葡萄糖苷酶活性（30%）、增加葡萄糖（33.9%）和半纤维素（11.9%）含量，显著促进幼苗期株高（57.1%）和叶面积（51.4%）增长，为作物产量提升提供新靶点。

　　

在植物生长发育过程中，β-葡萄糖苷酶（BGL, EC 3.2.1.21）作为糖苷水解酶家族成员，不仅参与纤维素代谢，还通过调控植物激素活性和细胞壁重构影响多种生理过程。然而，GH3家族β-葡萄糖苷酶（BGLCs）的功能研究长期滞后，尤其在重要经济作物烟草中缺乏系统性探索。现有研究表明，AtBGLC1/3仅被证实参与木聚糖代谢，而水稻OsBGlu38等GH1家族成员的功能多样性提示GH3家族可能蕴含未被发掘的调控潜力。这种认知空白严重限制了作物遗传改良的靶标选择。

贵州省烟草品质研究重点实验室的研究团队在《Gene》发表论文，通过全基因组鉴定和功能验证，揭示了NtBGLC12通过糖代谢重编程促进烟草生长的分子机制。研究采用HMMER和Pfam工具进行基因家族鉴定，利用qRT-PCR分析时空表达模式，通过转基因技术构建过表达株系，并结合高效液相色谱（HPLC）测定糖类物质含量。

植物材料
选用烤烟品种K326，按发育阶段（六真叶期、移栽后30/45/90天）采集根茎叶样本，确保生物学重复。

全基因组鉴定
鉴定出19个NtBGLCs基因，其中9个定位于5条染色体。系统发育分析将39个物种的BGLCs划分为3个进化枝，烟草成员集中于枝I和II。所有蛋白均含Glyco_hydro_3_C催化域和BglX结构基序。

NtBGLC12的功能验证
表达分析显示NtBGLC12转录水平与移栽45天后的叶生物量显著正相关（r=0.82）。过表达株系在幼苗期呈现爆发式生长：株高增加57.1%，叶长和叶宽分别提升51.4%和37.7%。成熟期优势减弱，增幅降至6.74%-6.84%。生化检测发现β-葡萄糖苷酶活性提高30%，伴随葡萄糖（+33.9%）、可溶性糖（+9.87%）和半纤维素（+11.9%）积累，而纤维素降低9.05%。

讨论与结论
该研究首次建立GH3 β-葡萄糖苷酶与烟草生长的因果关系，揭示NtBGLC12通过"糖代谢-细胞壁重塑"通路动态调控发育进程。幼苗期的生长优势与糖类物质爆发积累同步，而成熟期表型衰减可能源于反馈调节机制。相比GH1家族成员（如调控黄酮合成的AtBGLU1/3/4/15），GH3家族展现出独特的发育阶段特异性调控模式。研究为作物高产育种提供新策略：靶向操纵NtBGLC12表达窗口期，可突破传统生长促进基因导致的徒长风险。未来需解析其底物偏好性（如是否水解激素前体）及与木质素代谢的互作关系。