对Phoebe zhennan的整个基因组进行分析后，发现PzCAD4是通过木质素生物合成参与干旱响应的关键基因

《BMC Plant Biology》：Genome-wide analysis of Phoebe zhennan CADs identifies PzCAD4 as a key contributor to drought response via lignin biosynthesis

　　

摘要

背景

在干旱胁迫下，植物面临的生理挑战之一是木质部导管的栓塞与崩溃。在木质化过程中，木质素生物合成酶会形成复合体以促进代谢物质的传输。虽然肉桂醇脱氢酶（CAD）介导的木质素生物合成对于增强细胞壁的机械强度以及维持胁迫条件下的水分运输能力至关重要，但该酶基因如何在珍贵的用材树种滇楠中赋予其抗旱性，其分子机制至今仍不清晰。

研究结果

在本研究中，我们在滇楠的基因组中发现了六个PzCAD基因，这些基因在染色体上的分布不均，且第2号染色体上存在局部串联重复现象。系统发育和结构分析表明，这些基因属于三个不同的进化支，其外显子-内含子序列存在显著差异，而它们的启动子则普遍含有应激响应元件和激素响应元件。通过酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）和荧光素酶互补成像（LCI）等蛋白质相互作用实验，我们发现PzCAD2-1和PzCAD2-2能够形成稳定的同二聚体。结构和转录分析显示，尽管对I类（PzCAD1）和II类（PzCAD2）基因成员进行病毒诱导的基因沉默处理并未改变整体木质素的积累量，但在PEG模拟的干旱条件下，IV类基因的同源物（PzCAD4-1、PzCAD4-2、PzCAD4-3）的表达却显著上升。在转基因毛状根系统中进行的全面功能验证表明，过表达PzCAD4基因家族能显著提高植物的抗旱性，其机制包括增加木质素沉积、提升抗氧化酶活性、积累渗透保护物质以及减少活性氧的生成。此外，过表达植株还会协同积累与防御相关的植物激素（水杨酸和茉莉酸），同时H?O?的水平也会适度升高，后者在干旱胁迫下很可能充当信号分子。与之形成鲜明对比的是，通过CRISPR/Cas9技术敲除单个PzCAD4基因会严重抑制木质素生物合成，进而加剧细胞的氧化损伤，导致更明显的干旱反应。

结论

我们认为，PzCAD4是干旱胁迫下木质素生物合成的关键正向调控因子，它主要通过强化次生细胞壁来提高植物对PEG诱导的干旱的耐受性，同时还会伴随抗氧化代谢和防御植物激素积累方面的相应变化。这些研究结果全面揭示了滇楠CAD基因家族的功能特征，为培育抗旱型用材树种提供了理论依据和遗传靶点。