高粱花器官特异性启动子的全基因组鉴定与抗麦角病应用研究

为解决高粱麦角病(Claviceps spp.)导致的谷物减产和毒素污染问题，阿根廷布宜诺斯艾利斯大学团队通过全基因组分析鉴定出68个高粱脂质转移蛋白(LTP)基因，发现SbLTP1.4和SbLTP1.5启动子具有花器官特异性表达模式，经拟南芥转基因验证证实其兼具应激响应特性，为靶向表达抗菌蛋白防控麦角病提供了新型分子工具。

　　

在干旱和高温环境中表现优异的高粱(Sorghum bicolor)，作为重要的粮食和饲料作物，却面临着麦角病菌(Claviceps spp.)的严重威胁。这种真菌会感染未受精的子房，用黑色菌核取代谷物，不仅造成产量损失，其产生的麦角碱还会危害人畜健康。更棘手的是，目前高粱中尚未发现天然的抗麦角病基因，传统育种手段难以应对这一挑战。

阿根廷布宜诺斯艾利斯大学(Universidad de Buenos Aires)的Leandro Andrés Cossio和Alejandra Estefanía Melgar领衔的研究团队，将目光投向了植物中一类特殊的蛋白质家族——非特异性脂质转移蛋白(nsLTP)。这些分子量通常小于10 kDa的小蛋白，以其特有的八半胱氨酸基序(8CM)为特征，在植物防御和生殖发育中扮演多重角色。尤其值得注意的是，许多LTP基因在花器官中特异性表达，这为开发靶向抗病策略提供了绝佳切入点。

研究人员采用全基因组筛选结合多组学分析的技术路线：首先利用HMMER软件基于PF14368和PF00234结构域模型从高粱基因组中鉴定候选基因；通过TargetP-2.0预测信号肽和GPI锚定位点；采用MEME/TOMTOM分析启动子保守元件；最终通过拟南芥转基因系统（使用pKGWFS7载体构建GUS报告基因）验证启动子功能。样本来源于高粱标准品种的公开基因组数据。

Identification and classification of putative LTPs genes

研究团队系统鉴定了68个高粱LTP基因，按Edstam分类法分为LTP1(9个)、LTP2(7个)、LTP-C(2个)、LTP-D(12个)、LTP-G(20个)和未确定型(18个)。这些基因在染色体上呈簇状分布，尤以1号和2号染色体最为密集，并发现SbLTP1.4/1.5等5个串联重复事件。

In silico expression analysis

转录组分析显示LTP1亚家族在生殖组织中普遍高表达，而LTP-C特异表达于花药。SbLTP1.4和SbLTP1.5在雌蕊中表现突出，其中SbLTP1.4还具备根中低表达的特性，符合靶向抗病需求。

Promoter analysis

启动子顺式元件分析揭示了MYB31、AGL55等转录因子结合位点的保守性，特别是DREB2C和ERF015等应激响应元件的存在，预示SbLTP1.4可能参与多种胁迫应答。

Spatio-temporal expression patterns

转基因拟南芥实验证实，pSbLTP1.4驱动GUS在花梗、柱头和幼叶中活跃表达，而pSbLTP1.5仅表现微弱的柱头特异性活性。值得注意的是，SbLTP1.4启动子保留了高粱原有的组织特异性，未出现异源表达的位置效应。

Stress-responsive characterization

在200 mM NaCl或甘露醇胁迫下，pSbLTP1.4-GUS植株全株呈现强烈染色，而Pseudomonas syringae感染则使GUS活性提升3倍以上。相比之下，pSbLTP1.5对各类处理均无响应，显示二者虽同源但功能分化。

这项发表在《Scientific Reports》的研究，首次系统解析了高粱LTP基因家族的进化特征和表达规律。发现的SbLTP1.4启动子兼具花器官特异性和多重应激响应能力，为设计"精准打击"麦角病的基因工程策略提供了理想调控元件。其价值不仅限于高粱——由于启动子保守性，该策略可推广至玉米、珍珠粟等其他易感麦角病的禾本科作物。研究还揭示了串联重复导致的LTP功能分化现象，为理解植物适应性进化提供了新视角。这种靶向生殖器官的表达策略，相比组成型启动子能显著降低代谢负担，避免抗菌蛋白对有益微生物的影响，展现出良好的应用前景。