牡丹KNOX基因家族在根系发育中的鉴定与功能解析

本研究针对牡丹(Paeonia suffruticosa)根系发育调控机制不明的问题，系统鉴定了8个PoKNOX基因家族成员，通过多组学分析揭示了PoKNOX7/8在侧根发育中的核心作用。研究发现这些基因通过激素信号通路（尤其是生长素和ABA）调控根系形态建成，并首次通过BiFC验证了PoKNOX7与PoKNOX8的蛋白互作，为牡丹药用根系的分子育种提供了新靶点。

　　

在传统中药材和观赏植物领域，牡丹(Paeonia suffruticosa)的根系因其富含药用成分而备受关注，但调控其发育的分子机制始终是未解之谜。尤其令人困惑的是，虽然KNOX（KNOTTED1-like homeobox）基因家族在拟南芥、水稻等模式植物中被证实参与器官发育调控，但在牡丹这类具有重要经济价值的木本植物中，其功能研究几乎空白。这种认知缺口严重制约了通过分子育种手段改良牡丹根系品质的进程。

河南科技大学的研究团队在《Scientia Horticulturae》发表的最新研究，首次系统鉴定了牡丹中8个PoKNOX基因，并绘制了其在根系发育中的动态表达图谱。研究创新性地发现PoKNOX7和PoKNOX8在侧根组织中特异性高表达，通过构建包含92个转录因子的调控网络，揭示了这些基因通过激素信号通路协调根系形态建成的分子框架。

研究采用基因组学与实验生物学相结合的策略：基于牡丹基因组数据，通过HMMER搜索鉴定KNOX家族成员；利用RNA-seq分析不同发育阶段根系组织的表达谱；采用GUS染色验证启动子对激素（IBA和ABA）的响应；通过AlphaFold3预测蛋白互作界面，最终用双分子荧光互补(BiFC)实验证实关键蛋白互作。

研究结果呈现五个关键发现：

1. 基因家族特征分析
   系统发育树将8个PoKNOX分为Class I（3个）、Class II（5个）和KNATM亚类，蛋白三维结构预测显示KNOX1/2结构域高度保守。染色体定位发现大多数基因聚集在Chr01上，仅PoKNOX1/7存在复制事件。

2. 顺式元件与启动子活性
   启动子分析发现TGA-element（响应生长素）和TATC-box（响应赤霉素）富集。GUS实验证实PoKNOX7/8启动子具有转录激活能力，且分别被IBA和ABA显著诱导。

3. 时空表达模式
   RNA-seq热图显示PoKNOX7/8在6月龄侧根（R2）中表达量是主根的3.2倍，qPCR验证其在发育中后期根系特异性高表达。

4. 调控网络构建
   共表达网络鉴定出18个与根系发育相关的互作基因，GO富集显示这些基因显著参与"激素响应"和"根器官形成"。特别值得注意的是，两个Dof型锌指转录因子（Pos.gene32437/28446）被预测为多个PoKNOX的上游调控因子。

5. 蛋白互作验证
   AlphaFold3预测PoKNOX7/8通过KNOX1结构域相互作用，BiFC实验观察到明显的YFP荧光信号，证实二者在细胞核内形成复合体。

讨论部分深入阐释了三个突破性认知：首先，牡丹KNOX基因家族规模（8个）小于拟南芥（7个）但大于水稻（5个），这种差异可能源于木本植物特有的基因复制事件。其次，Class II成员PoKNOX7/8在根系中的优势表达颠覆了传统认为Class I主导器官发育的认知，暗示牡丹可能演化出独特的调控路径。最重要的是，研究首次将KNOX基因与牡丹药用根系品质关联，通过激素响应元件分析和蛋白互作验证，构建了"激素信号-KNOX模块-根系形态"的调控链条。

这项研究不仅填补了木本观赏植物KNOX基因功能研究的空白，更为分子设计育种提供了可操作的靶点——通过调控PoKNOX7/8表达或其互作网络，有望定向改良牡丹根系生物量和次生代谢物含量。研究者特别指出，PoKNOX7与PoKNOX8的协同作用机制、以及Dof转录因子对其的调控关系，将是后续深入解析牡丹根系发育分子开关的重点方向。