蓖麻III型过氧化物酶基因家族的全基因组鉴定与胁迫应答机制解析

本研究针对蓖麻（Ricinus communis）III型过氧化物酶（Class III PRX）基因家族功能未知的问题，通过全基因组鉴定、生物信息学分析和多组织表达验证，首次系统揭示63个RcPRX基因的进化特征、启动子顺式作用元件（含ABRE/MBS等胁迫响应元件）及盐旱胁迫下的动态表达模式。研究发现RcPRX基因在根系高表达以增强逆境适应性，子叶通过独特生理生化特性显著提升胁迫耐受性，为作物抗逆育种提供新靶点。

　　

论文解读

研究背景与意义

植物在盐旱胁迫下会积累过量活性氧（ROS），而过氧化物酶（PRX）作为关键抗氧化酶，通过催化H₂O₂分解维持氧化还原稳态。III型PRX是植物特有的多基因家族，参与细胞壁木质化、ROS清除及逆境响应，但蓖麻（重要油料作物兼土壤改良先锋植物）中该家族的系统研究尚属空白。解析RcPRX基因的功能，将为作物抗逆机制研究与分子育种提供理论支撑。

内蒙古民族大学蓖麻育种重点实验室（Key Laboratory of Castor bean Breeding in Inner Mongolia）的研究团队首次完成蓖麻III型PRX基因家族的全基因组鉴定与功能解析，相关成果发表于《BMC Plant Biology》。

关键技术方法

研究结合HMMER和BLASTP从蓖麻基因组筛选PRX基因，通过Pfam/InterPro验证结构域；利用MEGA 11构建蓖麻-拟南芥-水稻系统发育树；PlantCARE分析启动子顺式作用元件；STRING数据库构建蛋白互作网络；基于RNA-seq数据绘制12个组织的表达谱；采用10% PEG-6000模拟干旱、200 mM NaCl模拟盐胁迫，通过qRT-PCR（内参基因RcSKIP）检测根、真叶、子叶的时空表达模式。

研究结果

1. RcPRX基因家族鉴定与进化特征

共鉴定63个RcPRX基因，其编码蛋白的氨基酸数（102–1273）、分子量（11.6–136.9 kDa）和等电点（pI 4.6–9.46）差异显著（表1）。亚细胞定位预测显示82.5%成员定位于叶绿体，暗示其参与光合相关ROS清除。基因在10条染色体上呈不均一分布（图1），共线性分析发现7个复制事件（含2个串联复制和5个片段复制）（图2），表明复制驱动基因家族扩张。

2. 系统发育与保守结构域

与拟南芥（73个）、水稻（138个）PRX蛋白构建系统发育树，将RcPRX分为5个进化枝（图3），其中IV枝成员最多（23个），V枝最少（5个），且与拟南芥亲缘最近。所有成员均含典型过氧化物酶结构域，部分携带抗坏血酸过氧化物酶等附加结构域（图4），提示功能分化。

3. 启动子顺式作用元件

启动子区含61类元件（图5），包括：

• 胁迫响应元件（243个）：抗氧化响应元件ARE（107个）、干旱响应元件MBS（37个）

• 激素响应元件（301个）：脱落酸ABRE（102个）、茉莉酸甲酯CGTCA-motif（45个）

• 光响应元件（占比最高）

  表明RcPRX可能通过ABA信号（ABRE）和氧化应激通路（ARE）调控逆境响应。

4. 组织特异性表达

RNA-seq显示RcPRX在12个组织中表达具时空特异性（图7）：

• 根系：38个基因高表达（如RcPRX6），提示其促进根系发育与胁迫适应

• 子叶：RcPRX15在盐旱胁迫下持续上调

• 花粉/花序：RcPRX57、RcPRX10特异高表达

  相关性分析揭示RcPRX1–RcPRX4等基因簇表达协同（图8），而RcPRX1与RcPRX57呈负相关。

5. 盐旱胁迫响应模式

盐胁迫（图9）：

• 根：RcPRX6显著上调（24 h表达量升6倍）

• 子叶：RcPRX15持续诱导（24 h达峰值）

• 真叶：RcPRX7快速响应（6 h即上调）

干旱胁迫（图10）：

• 根：RcPRX50在12 h表达峰值

• 子叶：RcPRX7和RcPRX15协同诱导

  关键结论：子叶因光合能力与独特代谢途径，胁迫耐受性强于根和真叶；RcPRX7（真叶）和RcPRX15（子叶）为盐旱共调控核心基因。

研究结论与意义

本研究首次揭示蓖麻III型PRX基因家族的进化规律与功能多样性：

1. 基因资源挖掘：63个RcPRX基因的系统鉴定为抗逆育种提供候选靶点。

2. 胁迫响应机制：启动子富含ABRE/ARE/MBS元件，通过ABA信号和ROS清除途径（如RcPRX6/7/15）增强盐旱耐受性。

3. 组织功能分化：根系高表达基因助力胁迫感知与水分吸收；子叶依赖光合能量供应与特异RcPRX表达维持高抗逆性。

   该研究填补了蓖麻PRX基因家族的功能空白，为利用基因编辑技术提升作物抗逆性奠定基础。