对竹子寡糖基转移酶的全面分析揭示了PedDGL1-C介导的PePRX2糖基化在茎秆木质化过程中的潜在作用

《Industrial Crops and Products》：Comprehensive analysis of bamboo oligosaccharyltransferases reveals the potential role of PedDGL1-C-mediated PePRX2 glycosylation in shoot lignification

竹子OST家族基因组特征及N-糖基化调控酶活性的机制研究。

　　在植物生物学研究中，蛋白糖基化作为一种重要的翻译后修饰过程，其作用范围广泛，涵盖了从蛋白质折叠到功能调控的多个方面。特别是在竹子这一类快速生长的植物中，糖基化不仅对植物的生理功能至关重要，还对竹子的经济价值和生态效益产生了深远影响。竹子作为一种重要的经济作物，其生长速度快、生物量高，广泛应用于建筑、家具制造、造纸和生物质能源等领域。此外，竹子在生态系统服务中也发挥着重要作用，如碳固存、水土保持和生物多样性维护。因此，深入研究竹子中糖基化相关酶的基因组组织和功能多样性，不仅有助于理解其快速生长的分子机制，还可能为农业领域的应用提供新的思路。

糖基化过程中，寡糖基转移酶（Oligosaccharyltransferases, OSTs）扮演着核心角色。OSTs负责将寡糖链转移到目标蛋白上，从而影响蛋白质的稳定性、定位和功能。尽管竹子在生态和经济上具有重要意义，但目前对其OST家族的基因组结构和功能分化仍缺乏系统的研究。本研究通过在12种竹子基因组中进行全面的泛基因组分析，首次揭示了竹子中OST家族的完整成员，并进一步探讨了这些成员在竹子快速生长过程中的潜在作用。研究发现，OST家族的扩张主要通过古多倍化事件驱动，同时，功能保守性在纯化选择下得以维持。通过对21个在毛竹（*Phyllostachys edulis*）中发现的OST成员进行系统分析，研究揭示了其在竹笋快速生长阶段的组织特异性表达模式，并与竹秆木质化过程存在时空关联性。进一步的亚细胞定位分析表明，其中一个OST成员（PedDGL1-C）定位于内质网，与其在N-糖基化中的经典功能相吻合。此外，通过蛋白质相互作用实验（如酵母双杂交、荧光互补、免疫共沉淀等），证实了PedDGL1-C与一个木质化相关类III过氧化物酶PePRX2之间存在物理性相互作用。质谱分析进一步确定了PePRX2上的两个保守的N-糖基化位点（N102和N216）。当这两个位点发生突变时，PePRX2的分子量显著降低，但其亚细胞定位未受影响。值得注意的是，N102位点的突变不仅破坏了PedDGL1-C与PePRX2之间的相互作用，还显著降低了过氧化物酶的活性，这表明OST介导的糖基化与酶功能之间存在机制性联系。本研究不仅揭示了PedDGL1-C如何通过糖基化调控PePRX2的功能，从而促进竹笋的生长，还为理解单子叶植物中糖基化机制提供了新的视角。

从更广泛的角度来看，N-糖基化在植物中不仅影响蛋白质的折叠和稳定性，还对蛋白质的功能产生重要调控作用。例如，研究表明，某些关键蛋白的N-糖基化突变会干扰其与其他蛋白的相互作用，进而影响植物的免疫反应。此外，N-糖基化还能通过改变蛋白质的亚细胞定位和酶活性，影响其功能。这些发现表明，糖基化在植物生长、发育和免疫过程中具有重要的调控作用。在竹子中，糖基化可能通过类似机制参与木质化过程的调控，而本研究中PedDGL1-C与PePRX2之间的相互作用正是这一机制的直接体现。

本研究通过多种方法，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和功能实验，系统地解析了竹子中OST家族的进化特征和功能作用。研究结果显示，OST家族在竹子中的扩张主要依赖于多倍化事件，而这些事件导致的基因复制和功能分化，是竹子能够快速生长和适应不同生态环境的重要基础。通过比较不同竹子亚基因组的OST成员分布，发现染色体重复事件可能在维持OST家族功能多样性方面发挥了关键作用。此外，基因结构分析和亚细胞定位预测表明，OST成员在不同组织中的分布和功能可能与其结构特性密切相关。例如，某些OST成员表现出较高的疏水性，这可能与其在细胞膜或细胞器中的定位有关，而另一些成员则显示出较强的亲水性，可能与其在细胞质或细胞器中的功能相关。

在毛竹中，OST成员的表达模式呈现出显著的组织特异性，特别是在竹笋的快速生长阶段，OST基因在竹笋组织中的表达水平显著高于其他组织。这种表达模式可能反映了OST在竹笋生长过程中的关键作用，尤其是在细胞壁合成和木质化过程中。通过转录组数据的分析，研究还发现OST基因在不同发育阶段和竹笋节段（N1、N2、N3）中表现出不同的表达水平。特别是在竹笋生长的早期阶段（ST2–ST4），OST成员的表达水平较高，而随着竹笋进入成熟阶段（ST5），其表达水平逐渐下降。这一趋势可能与细胞壁的快速合成和木质化过程密切相关，因为细胞壁的形成和修饰需要大量的蛋白质参与，而糖基化可能在这一过程中起到关键作用。

为了进一步揭示OST成员在竹子生长中的功能，研究还构建了OST成员的蛋白质相互作用网络。结果显示，除了PedOST4和PedOST5外，其他18个OST成员之间存在显著的相互作用关系，且每个成员至少与四个其他成员发生相互作用。这种复杂的相互作用网络可能反映了OST在细胞壁合成、细胞扩展和木质化过程中的多方面调控作用。此外，通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究发现PedDGL1-C与多个参与次生细胞壁生物合成的基因存在共表达关系，包括类III过氧化物酶基因（如PRX70和PRX73）以及β-葡萄糖苷酶基因（如BGLU5和BGLU7）。这些结果进一步支持了OST在竹子细胞壁合成和木质化过程中的核心作用。

在探讨糖基化对PePRX2功能的影响时，研究发现N102位点的突变对过氧化物酶活性产生了显著影响，而N216位点的突变则影响较小。这表明，N102位点的糖基化对于维持PePRX2的活性至关重要。此外，糖基化不仅影响PePRX2的活性，还可能通过改变其结构或构象，影响其与其他蛋白的相互作用。这一发现为理解糖基化在植物中如何精确调控酶活性和蛋白质相互作用提供了新的证据。特别是在竹子中，糖基化可能通过与PedDGL1-C的相互作用，调控PePRX2的活性，从而影响木质化过程。

本研究的发现不仅加深了对竹子快速生长背后翻译后调控网络的理解，还为单子叶植物中糖基化机制的研究提供了新的视角。通过系统地分析OST家族的进化、表达模式和功能，研究揭示了这些基因在竹子生长和发育中的关键作用。此外，通过实验验证PedDGL1-C与PePRX2之间的相互作用，以及糖基化对PePRX2活性的影响，研究为糖基化在植物中调控蛋白质功能提供了直接证据。这些结果不仅有助于揭示竹子快速生长的分子基础，还可能为其他经济作物的生长调控和生物量提升提供新的思路。

研究中采用的多种实验方法，包括酵母双杂交、荧光互补、免疫共沉淀和质谱分析，确保了研究结果的可靠性和准确性。这些方法不仅验证了OST成员之间的相互作用，还进一步揭示了糖基化对蛋白质功能的调控作用。通过这些实验，研究不仅确认了PedDGL1-C与PePRX2之间的相互作用，还明确了糖基化对PePRX2活性的影响。这些发现为后续研究提供了重要的理论基础，也为开发新的生物技术手段以调控植物生长提供了可能的靶点。

此外，研究还通过分析OST基因的启动子区域，揭示了其在植物生长和发育中的调控机制。启动子区域中富集的激素响应元件、胁迫响应元件和转录因子结合位点，表明OST基因可能受到多种调控因子的调控，从而在不同生理条件下发挥不同的功能。例如，某些OST基因可能在特定激素信号通路中起作用，而另一些则可能在胁迫响应中发挥关键作用。这些发现不仅有助于理解OST基因的调控网络，还为后续研究提供了方向。

综上所述，本研究通过多学科交叉的方法，系统地解析了竹子中OST家族的基因组组织、进化动态和功能调控机制。研究不仅揭示了OST在竹子快速生长过程中的关键作用，还为理解糖基化在植物中的调控功能提供了新的视角。未来的研究可以进一步探讨OST介导的糖基化机制是否适用于其他植物物种，特别是那些与竹子具有相似生长特性的草类植物。此外，这些发现可能为提升作物的生物量和抗逆性提供新的思路，具有重要的应用价值。