魔芋GRAS基因家族全基因组鉴定及其在生物与非生物胁迫响应中的关键作用

本研究针对魔芋(Amorphophallus konjac)产量与品质受生物/非生物胁迫制约的产业难题，通过全基因组分析鉴定出57个AkGRAS转录因子家族成员，系统解析其理化特性、进化关系及表达模式。研究发现AkGRAS19等基因在软腐病菌(Pcc)、低温、干旱和盐胁迫中显著上调，为魔芋抗逆育种提供了关键靶点基因。论文发表于《BMC Genomics》，首次揭示GRAS家族在魔芋胁迫响应中的分子机制。

　　

魔芋作为一种富含葡甘露聚糖(KGM)的重要经济作物，在食品、医药等领域具有广泛应用价值。然而，其生产常受到软腐病菌(Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum, Pcc)侵染和干旱、低温等环境胁迫的严重影响，导致产量和品质下降。目前对魔芋抗逆机制的研究多集中在病原菌分离和葡甘露聚糖提取工艺，对抗性功能基因的探索仍属空白。随着云南农业大学等单位完成魔芋全基因组测序，为系统解析其抗逆分子机制提供了重要基础。

云南魔芋生物学重点实验室/昆明学院的研究人员首次对魔芋GRAS基因家族开展全基因组尺度研究。GRAS是一类植物特有的转录因子，以GAI、RGA和SCR三个关键成员命名，在植物生长发育、激素信号转导和逆境响应中发挥核心作用。该研究通过生物信息学与实验验证相结合，发现AkGRAS19等基因能协同响应病原菌感染和多种环境胁迫，为魔芋抗性育种提供了理论依据和候选基因资源。

研究采用多组学整合分析策略：1) 基于全基因组数据，通过BLAST和HMMER鉴定GRAS家族成员；2) 利用RNA-seq和qRT-PCR分析组织特异性表达模式；3) 模拟干旱(甘露醇处理)、盐胁迫(200 mM NaCl)、低温(4°C)和激素(ABA/JA/SA)处理，检测基因动态响应；4) 通过启动子顺式元件分析和蛋白互作网络预测功能机制。

研究结果
GRAS基因鉴定与染色体分布
从魔芋基因组中鉴定出57个AkGRAS基因，不均匀分布于13条染色体上，其中6号染色体分布最密集(11个基因)。蛋白特性分析显示大多数为不稳定亲水蛋白，分子量15.78-90.82 kDa，亚细胞定位预测主要位于叶绿体和细胞核。

基因结构与系统发育分析
MEME工具鉴定出10个保守基序，其中基序9/7/2对应LHR I结构域，基序1/5对应VHIID结构域。系统发育树将57个基因划分为11个亚家族，DELLA和PAT1亚家族成员在胁迫响应中尤为活跃。

表达模式解析
qRT-PCR显示AkGRAS07/09/19在叶片中高表达，而AkGRAS23/34/38/39在根中优势表达。值得注意的是：

• AkGRAS19在Pcc侵染24h表达量提升3.8倍
• AkGRAS34在低温处理48h上调4.2倍
• AkGRAS23在21天自然干旱下表达量激增15倍

讨论与意义
该研究首次揭示GRAS家族在魔芋中的多效性调控机制：1) DELLA亚家族通过整合赤霉素(GA)信号通路参与发育调控；2) SHR亚家族可能调控根系构型以增强土壤适应性；3) AkGRAS19作为核心节点基因，其启动子含有ABRE、MYB等逆境响应元件，能同时激活病原相关蛋白(PR)和抗氧化酶基因表达。

研究成果为魔芋分子设计育种提供了两套关键资源：一是全基因组水平的GRAS家族特征图谱，二是经实验验证的抗逆候选基因(AkGRAS19/23/34)。这些发现不仅填补了天南星科植物GRAS研究的空白，也为其他块茎作物的抗性改良提供了参考模型。未来通过转基因或基因编辑技术调控这些靶点基因，有望培育出兼具高产和抗逆特性的魔芋新品种。