番茄GHMP基因家族的全基因组鉴定及外源激素与非生物胁迫下的表达调控研究

本研究针对番茄GHMP（Galactokinase/Homoserine kinase/Mevalonate kinase/Phosphomevalonate kinase）基因家族的功能未知性问题，通过生物信息学与实验验证相结合的方法，系统鉴定了4个番茄物种中56个GHMP成员，揭示其通过分散复制进化、参与激素信号（ABA/MeJA）和胁迫响应（干旱/盐）的分子机制。研究发现FKGP、PMK1等基因在胁迫中显著上调，为番茄抗逆育种提供了新靶点，成果发表于《BMC Plant Biology》。

　　

在农业生产中，番茄作为全球年产量超1.82亿吨的重要经济作物，常遭受干旱、盐碱等非生物胁迫，导致严重减产。然而，调控番茄抗逆性的关键基因家族GHMP（Galactokinase/Homoserine kinase/Mevalonate kinase/Phosphomevalonate kinase）却长期缺乏系统研究。这类蛋白激酶因最早发现的4个成员（GALK、HSK、MK、PMK）得名，参与糖代谢、细胞壁合成和异戊二烯途径，但番茄中其功能网络仍如"黑箱"。

为破解这一难题，新疆农业科学院园艺作物研究所 Haitao Yang 等研究人员联合多团队，首次对栽培番茄（S. lycopersicum）及3个野生近缘种（S. chilense、S. pennellii、S. pimpinellifolium）的GHMP家族展开多维度解析。通过全基因组扫描结合HMMER结构域验证，鉴定出56个GHMP成员，并运用最大似然法构建系统进化树，发现其可分为10个亚家族。启动子分析揭示这些基因富含ABRE（脱落酸响应元件）、CGTCA（茉莉酸响应元件）等顺式作用元件，暗示其广泛参与激素调控。RNA-seq数据显示SolyGALAK2在花蕾中特异性表达，而SolyMK在根系高表达，体现发育阶段特异性。qRT-PCR进一步证实，ABA处理24小时后，SolyFKGP表达量暴增25倍；盐胁迫下SolyGALK等基因快速响应，如同"分子开关"激活抗逆通路。

研究采用的关键技术包括：1）基于BLASTP和HMMER的基因家族鉴定；2）MEME和InterProScan的蛋白保守域分析；3）PlantCARE启动子顺式元件预测；4）跨物种共线性比较（MCScanX）；5）多组织RNA-seq数据挖掘；6）PEG6000（模拟干旱）和NaCl处理的qRT-PCR验证。

主要研究结果

GHMP基因的进化特征
通过构建包含番茄、拟南芥和小麦的116个GHMP蛋白的系统进化树，发现DPMDC（A10）亚家族在番茄中扩张最显著（8个成员），而A1b和A3b亚家族在番茄中缺失。基因结构分析显示，ISPE亚家族成员均含11个外显子，如同"标准化模块"，而ARA亚家族（除SopeARA1外）外显子数超过20个，呈现"碎片化"特征。

复制进化机制
栽培番茄中7个基因通过分散复制扩张，Ka/Ks值均小于1，表明纯选择压力下的功能保守。尤其值得注意的是，SolyDPMDC1与野生种同源基因的分化时间达490万年，远长于其他基因对（平均83万年），暗示其在进化中扮演特殊角色。

转录调控网络
预测发现166个转录因子与GHMP互作，其中SolyGALAK2与55个TF（如C2H2锌指蛋白）形成复杂调控网络，而SolyARA2特异性结合11个WRKY家族TF，构成"胁迫响应枢纽"。

表达模式解析
组织特异性表达显示，SolyDPMDC2在1cm果实中活跃，而SolyGALAK1在花蕾和成熟果实中"双峰表达"。胁迫实验中，SolyISPE在干旱和盐处理下分别上调4倍和5倍，SolyPMK2则对ABA和MeJA呈现"脉冲式响应"，12小时达峰值后回落。

讨论与意义
该研究首次揭示番茄GHMP家族通过"分散复制-功能分化"的进化模式，其中FKGP和PMK1等基因可作为抗逆育种的分子标记。特别值得注意的是，DPMDC亚家族在类异戊二烯合成途径中的关键作用，为改良番茄品质（如类胡萝卜素积累）提供了新思路。研究还发现野生种S. chilense的GHMP基因在染色体分布上更为集中，暗示其可能保留更多原始特征，为番茄驯化研究提供了线索。

这些发现不仅填补了番茄GHMP家族研究的空白，更通过整合多组学数据和胁迫实验，绘制了从基因到表型的调控图谱。未来研究可进一步利用CRISPR-Cas9等技术验证关键基因功能，推动番茄抗逆分子设计育种的发展。