冷驯化诱导下鸭茅果聚糖生物合成基因表达调控及其抗寒机制研究

这篇研究通过评估五种耐寒性差异的鸭茅(Dactylis glomerata L.)栽培种，揭示了冷驯化过程中果聚糖积累与糖苷水解酶32家族(GH32)基因的调控网络。研究发现6-蔗糖:果聚糖6-果糖基转移酶(6-SFT)在低温下显著诱导表达，而三种转化酶和两种果聚糖外切水解酶(FEH)基因表达受抑制，表明GH32基因通过协调果聚糖合成与降解途径参与鸭茅抗寒适应。该研究为温带牧草抗逆育种提供了重要分子靶点。

　　

研究背景

温带牧草中约15%的开花植物利用果聚糖作为能量储存和碳骨架形成的碳水化合物。鸭茅作为典型温带牧草，能合成具有β-(2,6)键型的长链无分支果聚糖（levan型），其积累与抗寒性、抗旱性和饲草品质密切相关。然而，参与其生物合成的基因尚未系统表征。糖苷水解酶32家族(GH32)包含催化果聚糖合成与降解的关键酶类，如果糖基转移酶(FT)、转化酶(INV)和果聚糖外切水解酶(FEH)，其活性受保守氨基酸基序（WMNDPNG、WSGSAT等）调控。

材料与方法

研究选取五个耐寒性差异的鸭茅种质（包括加拿大耐寒品种AC Killarney和新西兰冷敏感品种Grasslands Tekapo），通过田间越冬试验和生长箱冷冻处理评估抗寒性。采用HPLC测定冠部组织的葡萄糖、果糖、蔗糖和果聚糖含量，并通过RNA-seq分析GH32基因表达谱。利用基因组比对鉴定出21个GH32基因，并与小麦(Triticum aestivum)和黑麦草(Lolium perenne)同源基因进行系统发育分析。

重要发现

1. 表型特征：AC Killarney在-22°C极端低温下表现最佳越冬活力（LT₅₀<-11°C），其冷驯化后果聚糖含量达36 mg/g干重，显著高于其他品种。
2. 碳水化合物动态：冷驯化普遍诱导果糖（5-10 mg/g）和葡萄糖（<5 mg/g）积累，而蔗糖变化不显著。果聚糖含量增加15-36 mg/g，与抗寒性呈正相关。
3. GH32基因家族：系统发育分析将21个基因分为四类：
   • 果糖基转移酶(FT)：鉴定出3个基因，其中DG2G04963（含FMSDPNG变异基序）与6-SFT同源，表达量最高（22,204.4 FPKM）且冷诱导上调8.27倍
   • 液泡转化酶(VI)：DG2G00095等2个基因表达受低温抑制（最高下调15.1倍）
   • 细胞壁转化酶(CWI)：7个基因中仅DG3G02666高表达（1,441.3 FPKM）但无显著差异
   • 果聚糖外切水解酶(FEH)：8个基因形成两个亚群，其中含QNDPNG基序的DG3G00215上调7.59倍，而DG3G00400表达量骤降37.51倍

分子机制

研究发现冷驯化通过"双通道调控"促进果聚糖积累：一方面诱导6-SFT（DG2G04963）和潜在1-SST（DG2G04962）表达促进β-(2,6)键型果聚糖合成；另一方面抑制VI和特定FEH基因（如DG3G00400）表达，减少果聚糖水解。染色体定位显示FT和VI基因在2号染色体形成功能簇，而FEH基因在3号和4号染色体成簇分布，暗示协同进化。

研究意义

该研究首次系统解析了鸭茅GH32基因家族的结构与功能，阐明6-SFT在低温响应中的核心作用。不同于能合成复杂支链果聚糖的小麦和黑麦草，鸭茅通过精简的FT基因组合（仅3个）产生线性levan型果聚糖，这种"简约策略"为牧草抗逆育种提供了新思路。后续可针对DG2G04963开展基因编辑，验证其对冷冻耐受性的贡献。