《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide identification of the UGT gene family in foxtail millet and preliminary functional analysis of SiUGT26 during leaf senescence
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植物尿苷二磷酸糖基转移酶（UGTs）催化糖基化反应，这是一种关键的生化修饰，对多种代谢和生理过程至关重要。谷子（Setaria italica）是一种耐旱的C4禾谷类作物，已成为研究非生物胁迫适应的新兴模式植物。本研究在谷子基因组中鉴定了173个UGT基因（S
植物尿苷二磷酸糖基转移酶（UGTs）催化糖基化反应，这是一种关键的生化修饰，对多种代谢和生理过程至关重要。谷子（Setaria italica）是一种耐旱的C4禾谷类作物，已成为研究非生物胁迫适应的新兴模式植物。本研究在谷子基因组中鉴定了173个UGT基因（SiUGTs），它们不均匀地分布在九条染色体上，并被分为17个系统发育上不同的亚家族。共线性分析揭示了九个在纯化选择下的片段复制对，突出了进化保守性。启动子分析鉴定了与生长发育、生物/非生物胁迫响应以及激素调控相关的顺式作用元件，表明SiUGTs的功能多样性。暗诱导叶片衰老（DIS）下的转录组分析揭示了5个上调表达和27个下调表达的SiUGTs，暗示它们在衰老调控中的作用。随后，RT-qPCR验证了SiUGT26是一个衰老响应基因。与野生型拟南芥相比，SiUGT26在拟南芥中的异源过表达与延迟的叶片衰老和增大的莲座叶相关。共表达分析表明SiWRKY71可能与SiUGT26的调控有关。总之，本研究为谷子的UGT基因家族提供了基因组资源，并确定了SiUGT26是一个衰老响应的候选基因。这些发现为进一步研究UGT介导的谷子叶片衰老调控奠定了基础。
研究背景与科学问题
植物尿苷二磷酸糖基转移酶（UDP-glycosyltransferases，UGTs）催化糖基化反应，这是植物次生代谢物合成中的关键生化修饰，对调节植物激素活性、内源化合物代谢、自身防御反应以及整体生长发育至关重要。尽管UGT基因家族已在拟南芥、水稻、玉米等多种植物中被鉴定，但在谷子（Setaria italica）中，其基因组组织以及与叶片衰老相关的表达情况仍不完全清楚。谷子作为一种耐旱的C4禾谷类作物，是研究非生物胁迫适应性的理想模式作物，但其叶片衰老的分子调控机制研究相对薄弱。因此，开展谷子UGT基因家族的全基因组鉴定及其在叶片衰老过程中的功能研究具有重要意义。
研究方法与技术路线
研究人员首先利用隐马尔可夫模型（HMM）和BLASTP比对从“小米”参考基因组中鉴定出173个SiUGT基因。随后，采用MEGA软件构建系统发育树进行亚家族分类；使用MEME和NCBI CDD工具分析保守基序和结构域；利用TBtools进行染色体定位、基因复制和共线性分析；通过PlantCARE数据库预测启动子顺式作用元件。基于已发表的暗诱导叶片衰老（DIS）转录组数据集进行差异表达分析，并通过RT-qPCR进行验证。选取候选基因SiUGT26构建过表达载体，转化拟南芥进行异源功能验证，同时利用共表达分析筛选潜在的调控转录因子。
研究结果
1. 谷子UGT基因家族的鉴定与特征分析**
研究人员通过HMM搜索和BLASTP比对，在谷子基因组中鉴定出173个SiUGT基因。这些基因编码的蛋白质长度范围为167至948个氨基酸，分子量在17.71至101.41 kDa之间，等电点范围为4.88至11.58。亚细胞定位预测显示多数蛋白分布于细胞质和叶绿体。
2. SiUGT基因的染色体分布
169个SiUGT基因不均匀地分布在谷子的9条染色体上，其中2号染色体含有最多（36个），而6号和8号染色体最少（各7个）。另有4个基因位于未组装的contig上。
3. SiUGT的系统发育分析
通过与拟南芥和玉米的UGT蛋白进行系统发育比较，173个SiUGT被划分为17个亚家族（A-Q），其中包含三个新定义的组别（O, P, Q）。E亚家族成员数量最多（43个），而J和K亚家族各仅有1个成员。SiUGT26被归入E亚家族。
4. 保守基序、结构域与基因结构分析
在173个SiUGT蛋白中共鉴定出12个保守基序，其中Motif 1、3和11普遍存在，且Motif 3存在于所有成员中。基因结构分析显示，52%的SiUGT基因不含内含子。保守结构域分析确认了四个保守结构域。
5. 基因复制与共线性分析
基因复制分析鉴定出79对串联重复序列和10个片段复制对。所有片段复制对的Ka/Ks值均小于1，表明这些基因经历了纯化选择。种间共线性分析显示，谷子与单子叶植物（高粱、水稻、玉米）的共线性关系远强于与双子叶植物拟南芥的关系。
6. 顺式作用元件与表达模式分析
启动子区域富含与激素响应（如ABA、JA、GA）、胁迫响应（如低温、干旱）及生长发育相关的顺式作用元件。在DIS转录组数据中，48个SiUGT基因在轻度衰老材料中下调，7个上调；而在重度衰老材料中，38个上调，15个下调。RT-qPCR验证了SiUGT26在严重衰老区域几乎不表达，表明其可能参与叶片衰老的负调控。
7. SiUGT26在拟南芥中的异源过表达功能分析
与野生型Col-0相比，SiUGT26过表达拟南芥株系表现出更大的莲座叶直径、更高的光系统II最大量子产率（Fv/Fm）以及更低的衰老标志基因（AtSAG12, AtSAG13, AtSAG113）转录水平。亚细胞定位显示SiUGT26-GFP信号同时出现在细胞核和细胞质中。
8. 共表达分析
通过计算7个表达的第E组SiUGT基因与21个SiWRKY基因的表达相关性，发现SiUGT26与SiWRKY71呈正相关（r = 0.719），提示SiWRKY71可能是SiUGT26的潜在上游调控因子。
讨论与结论
讨论部分指出，本研究的系统鉴定结果为谷子UGT家族研究提供了基因组资源。SiUGT26在拟南芥中的异源过表达与莲座叶增大、Fv/Fm升高及衰老标志基因表达降低相关联，为SiUGT26参与衰老调控提供了初步证据。然而，这些结果来自异源系统，不能直接确立其在谷子中的原生功能。共表达分析将SiWRKY71确定为候选关联因子，但直接的转录调控关系尚需实验验证。
研究结论总结如下：本研究系统鉴定和表征了谷子中的173个UGT基因。系统发育分类、染色体分布、复制分析、保守基序和基因结构分析、启动子顺式元件预测以及表达谱分析为未来SiUGT家族研究提供了基因组资源。通过对已发表的暗诱导叶片衰老转录组数据集的分析以及区域性RT-qPCR分析，确定SiUGT26为一个衰老响应候选基因。SiUGT26在拟南芥中的异源过表达与莲座叶增大、更高的Fv/Fm值以及衰老标志基因表达降低相关联，为其与衰老相关表型的关联提供了初步证据。共表达分析进一步将SiWRKY71确定为与SiUGT26表达相关的候选因子，但直接的转录调控关系仍有待实验验证。总体而言，本研究为未来谷子中UGT相关叶片衰老响应的功能研究奠定了基础。
