《Plant Physiology and Biochemistry》：Comparative study of the
Dof gene family in buckwheat:
FtDof34's function in sugar biosynthesis and response to salt and drought stress
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本研究针对全球气候变化下盐碱化和干旱胁迫严重制约作物产量的重大问题，以三种荞麦属植物为研究对象，开展了Dof转录因子家族的全基因组比较分析。研究人员通过GWAS分析鉴定到一个与可溶性糖1,1-酮四糖含量显著关联的关键基因FtDof34，并在拟南芥和苦荞发状根中进行了功能验证。结果表明，过表达FtDof34能促进可溶性糖生物合成，并通过调控AtSWEET10/11和FtSWEET6/8等糖转运蛋白基因的表达，显著增强植物对盐胁迫（100 mM NaCl）和干旱胁迫（150 mM Mannitol）的耐受性。该研究阐明了FtDof34通过调节糖代谢途径增强植物抗逆性的分子机制，为培育抗逆性强的荞麦新品种提供了宝贵的基因资源和理论依据。
随着全球气候变化的加剧，盐碱化和干旱已成为制约农业生产的世界性难题。据统计，全球超过10%的耕地受到盐渍化影响，而干旱胁迫可导致主要作物减产高达15%至50%。面对这些挑战，挖掘植物自身的抗逆基因资源、阐明其分子机制，成为培育高产稳产作物品种的关键。荞麦作为一种营养丰富的伪谷物，因其富含类黄酮等生物活性物质而备受关注，尤其苦荞具有更高的营养价值。然而，关于荞麦如何响应盐旱胁迫的分子机制，特别是关键转录调控因子的功能，仍知之甚少。
在这项发表于《Plant Physiology and Biochemistry》的研究中，研究人员聚焦于植物特有的Dof（DNA binding with one finger）转录因子家族。该家族成员在植物生长发育、碳氮代谢以及非生物胁迫响应中扮演着重要角色。为了揭示Dof家族在荞麦抗逆性中的作用，研究团队开展了一项系统的比较基因组与功能验证研究。
研究人员首先利用生物信息学方法，对三种荞麦物种（苦荞、甜荞和金荞麦）的Dof基因家族进行了全基因组鉴定、染色体定位和进化分析。他们发现，Dof家族在荞麦中的扩张主要受片段重复事件驱动，并在进化过程中受到强烈的纯化选择。为了寻找与抗逆性相关的关键基因，他们进一步对200份苦荞种质资源进行了全基因组关联分析（GWAS），发现了一个与可溶性糖1,1-酮四糖含量显著相关的位点，并从中鉴定出候选基因FtDof34。
在技术方法上，本研究整合了多种关键技术：通过基因组关联分析（GWAS）筛选候选基因；利用农杆菌介导的遗传转化技术在拟南芥和苦荞发状根中实现基因过表达；采用qRT-PCR技术分析基因表达模式；通过激光共聚焦显微镜进行蛋白亚细胞定位；以及利用生理生化指标测定和代谢组学分析评估植物的胁迫响应。
研究结果揭示了FtDof34的多方面功能。首先，通过亚细胞定位实验证实FtDof34蛋白定位于细胞核，符合其作为转录因子的功能特征。表达模式分析显示，FtDof34在苦荞的籽粒、茎和叶片中表达量较高，且能被脱落酸（ABA）显著诱导，暗示其可能参与ABA介导的胁迫响应通路。
在功能验证方面，过表达FtDof34的拟南芥植株和苦荞发状根在盐胁迫（100 mM NaCl）和干旱胁迫（150 mM Mannitol）条件下，均表现出比对照更强的生长势。具体表现为根长或根鲜重显著增加，表明FtDof34能促进根系发育，增强植物从土壤中吸收水分和养分的能力。同时，过表达株系中可溶性糖含量显著升高，而膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量降低，抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性增强，说明FtDof34能通过调节渗透平衡和增强抗氧化防御系统来减轻胁迫造成的损伤。
更为重要的是，代谢组学分析发现，过表达FtDof34的苦荞发状根中多种糖类代谢物（如D-果糖-1,6-二磷酸）含量发生变化。进一步的研究表明，FtDof34可能通过调控下游糖转运蛋白基因的表达来影响糖代谢。在拟南芥过表达株系中，蔗糖转运蛋白基因AtSWEET10和AtSWEET11的表达量上调；而在苦荞发状根中，FtSWEET6和FtSWEET8的表达也显著增强。这些结果提示，FtDof34可能通过激活SWEET家族糖转运蛋白的表达，促进蔗糖等可溶性糖的运输和积累，从而增强植物的胁迫耐受性。
在讨论部分，研究人员将他们的发现与已有研究进行了对比。多项研究表明，Dof转录因子在植物胁迫响应中发挥重要作用，如拟南芥AtDof5.8参与盐胁迫响应，棉花GhDof1.7和水稻OsDof15与耐盐性相关。本研究首次在荞麦中揭示了FtDof34通过调节糖代谢通路来增强盐旱胁迫耐受性的功能。可溶性糖作为重要的渗透调节物质和能量来源，在植物应对逆境过程中至关重要。FtDof34可能通过直接或间接调控SWEET等糖转运蛋白基因的表达，促进糖分在细胞间的运输和分配，帮助植物维持细胞渗透平衡和能量稳态。
综上所述，这项研究不仅系统解析了荞麦Dof基因家族的进化特征，更重要的是鉴定并功能验证了一个关键转录因子FtDof34在调控糖代谢和增强盐旱胁迫耐受性中的重要作用。该研究不仅深化了对植物抗逆分子机制的理解，而且为荞麦乃至其他作物的抗逆育种提供了有价值的基因靶点。未来基于FtDof34的分子育种策略，有望培育出更具气候韧性的荞麦新品种，为保障粮食安全提供新的解决方案。
