棉花Paclobutrazol抗性基因家族的全基因组鉴定及GhPRE3在盐旱胁迫中的正向调控作用

本研究通过全基因组鉴定揭示了棉花中Paclobutrazol抗性（PRE）基因家族的进化特征与功能多样性，发现GhPRE3通过膜信号转导机制显著增强植株的抗氧化能力与逆境适应性，为棉花抗逆育种提供了关键靶点与理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱、盐碱等非生物胁迫已成为制约农作物产量的关键因素。作为重要经济作物的棉花，其生产同样受到严重威胁。植物在长期进化过程中形成了复杂的应激响应机制，其中转录因子调控网络扮演着核心角色。碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix, bHLH）作为植物中第二大类转录因子家族，参与调控多种生理过程，然而其亚家族Paclobutrazol抗性（PRE）基因在棉花中的功能研究仍存在大量空白。

为了系统解析棉花PRE基因家族的进化特性与生物学功能，Geng Shuaikang等研究人员在《Functional & Integrative Genomics》发表了最新研究成果。研究团队通过对四类棉种（异源四倍体陆地棉Gossypium hirsutum、海岛棉Gossypium barbadense，及其二倍体祖先亚洲棉Gossypium arboreum和雷蒙德氏棉Gossypium raimondii）开展全基因组尺度鉴定，共鉴定出68个PRE基因，并进一步通过分子实验验证了关键基因GhPRE3在盐旱胁迫中的正向调控作用。

研究采用生物信息学分析与实验验证相结合的策略：首先基于保守结构域PF00010（HLH结构域）进行全基因组筛选；通过系统进化树构建、保守基序分析、染色体定位及共线性分析揭示基因家族进化特征；利用PlantCARE数据库预测启动子顺式作用元件；结合棉花转录组数据库（BioProject ID: PRJNA490626）和qRT-PCR技术分析基因表达模式；最后通过病毒诱导基因沉默（Virus-Induced Gene Silencing, VIGS）、亚细胞定位和转基因拟南芥过表达实验验证GhPRE3功能。

研究首先发现棉花PRE基因家族可分为三个进化分支（Group A-C），其中Group C包含最多成员（53个）。保守基序分析显示所有基因均包含motif 1和motif 3这两个HLH结构域核心组件，而仅三个基因含有内含子，表明该家族在进化中具有高度保守性。染色体分布分析显示PRE基因在各染色体上呈不均匀分布，且四倍体棉种的基因数量约为二倍体的两倍，表明多倍化过程推动了基因家族扩张。

共线性分析进一步证实片段复制是PRE基因家族扩增的主要机制。四类棉种间共识别出559对重复基因，且未发现串联重复事件。启动子顺式作用元件分析发现大量与逆境响应相关的元件，包括脱落酸（ABA）、茉莉酸（JA）、低温响应及防御应激元件，暗示PRE基因可能参与非生物胁迫响应。

表达模式分析表明GhPRE3在盐、旱、热、冷处理下均呈现显著波动表达趋势。qRT-PCR验证发现GhPRE3与GhPRE13在盐胁迫和干旱胁迫下表达趋势高度一致，提示功能相关性。亚细胞定位实验通过pCAMBIA2300-DsRed2融合载体证实GhPRE3定位于细胞膜与细胞核。

功能验证实验表明，沉默GhPRE3的棉花植株在350 mM NaCl和20% PEG6000处理下出现更严重的叶片萎蔫，总抗氧化能力（T-AOC）显著降低而丙二醛（MDA）含量上升。过表达GhPRE3的拟南芥在盐（100-200 mM NaCl）和干旱（250-350 mM mannitol）胁迫下发芽率和根长显著优于野生型，且在高压胁迫下产生更多侧根毛。

研究结论强调GhPRE3通过增强抗氧化能力和维持膜系统稳定性正向调控棉花耐盐耐旱性。该研究不仅填补了棉花PRE基因家族功能研究的空白，为分子育种提供新靶点，更揭示了bHLH转录因子在植物逆境响应中的新颖调控机制。鉴于PRE基因在激素信号转导（如赤霉素、油菜素内酯）中的已知功能，GhPRE3可能通过整合激素与逆境信号通路形成协同调控网络，这一发现对多胁迫抗性作物品种的选育具有重要指导意义。