珍珠粟CBF家族全基因组分析及PgCBF21在冷胁迫下的功能研究

本研究针对珍珠粟(Pennisetum glaucum)低温敏感性问题，通过全基因组分析鉴定出23个CBF家族成员，发现PgCBF11在茎中冷处理后表达上调40倍，PgCBF21在叶中表达上调37倍。通过酵母功能验证证实PgCBF21可增强冷耐受性，为禾本科植物抗寒机制研究提供新见解。

　　

在热带地区广泛种植的珍珠粟(Pennisetum glaucum)是一种营养价值高的优质牧草，但其对低温胁迫的敏感性严重限制了在温带和高海拔地区的栽培。植物响应低温胁迫的关键调控因子CBF(C-repeat binding factor)属于AP2/ERF(APETALA2/ethylene-responsive element-binding factor)类转录激活因子，通过识别启动子中的CRT/DRE(C-repeat/drought-responsive elements)顺式作用元件，激活下游冷调节(COR)基因表达来增强植物抗寒性。然而，关于珍珠粟CBF家族成员的系统研究仍属空白。

山东省农业科学院休闲农业研究所联合中国农业大学草地科学与技术学院的研究团队，在《BMC Plant Biology》发表了关于珍珠粟CBF家族的全基因组分析及PgCBF21功能验证的研究。研究人员利用生物信息学方法鉴定了23个PgCBF基因，通过qRT-PCR分析了6个候选基因的组织特异性表达和冷胁迫响应模式，并采用酵母功能互补实验验证了PgCBF21的抗寒功能。

主要技术方法包括：从珍珠粟多组学数据库(Milletdb)获取CBF家族序列；使用MEME分析保守基序；通过PlantCARE预测启动子顺式元件；采用qRT-PCR检测基因表达；构建pYES2-NTB-PgCBF21载体进行酵母功能验证。

研究结果分为以下几个部分：

1. PgCBF家族成员的鉴定与系统发育分析
   鉴定出23个PgCBF基因，氨基酸数量187-324不等，分子量19,688.36-34,271.70 Da。系统发育分析将PgCBF分为3组，与小麦(TaCBF)和大麦(HvCBF)家族成员具有不同的进化关系。

   

2. 保守基序与染色体定位分析
   发现所有PgCBF成员均含有1-6号保守基序，18个成员具有AP2结构域，5个具有AP2超家族结构域。基因在7条染色体上呈不均匀分布，其中3号染色体含有7个基因，7号染色体形成PgCBF19-23基因簇。

   

3. 顺式作用元件分析
   启动子区含有光响应、胁迫响应(低温、干旱)、植物激素(ABA、生长素)等多种顺式元件，表明PgCBF参与复杂胁迫响应机制。

   

4. 组织特异性表达模式
   PgCBF10/11/19/20在叶中高表达，PgCBF21在根中表达量是叶的12倍，显示基因功能分化。

   

5. 冷胁迫响应表达模式
   PgCBF11在茎中32h冷处理后表达上调40倍；PgCBF21在叶中8h处理后上调37倍，显示快速响应特性。

   

6. PgCBF21功能验证
   酵母实验证明PgCBF21可耐受-20℃/96h的极端低温，显著提高宿主抗寒能力。

   

研究结论表明，珍珠粟CBF家族通过复杂的调控网络参与低温胁迫响应。特别是PgCBF21在叶中的快速诱导表达和显著的抗寒功能，为理解禾本科植物冷适应机制提供了新视角。该研究不仅丰富了植物CBF调控网络的理论基础，也为珍珠粟抗寒品种选育提供了重要候选基因。未来通过转基因技术将PgCBF21导入珍珠粟，有望培育适合温带地区种植的抗寒新品种，解决牧草生产中的实际难题。