人参PR1与PR10基因家族的综合鉴定及整合分析：PgPR1-5与PgPR10-8基因在MeJA响应中的表达分析

《Life》：Comprehensive Identification and Integrated Analysis of the PR1 and PR10 Gene Families in Ginseng: PgPR1-5 and PgPR10-8 Gene Expression Analysis in Response to MeJA

　　

摘要翻译：病程相关（PR）蛋白是植物防御的核心，但其在调控次生代谢中的作用在很大程度上仍未得到探索。在人参（*Panax ginseng*）中，PR1和PR10基因家族的分子特征及其与人参皂苷生物合成的功能关联仍不清楚。本研究进行了基因组和转录组鉴定、进化分析、共表达网络构建以及茉莉酸甲酯（MeJA）诱导实验，以探讨其作用。研究人员鉴定了34个PR1/PR10家族成员（11个PgPR1和23个PgPR10），它们不均匀地分布在15条染色体上，基因重复驱动了家族扩张。功能分化明显：PgPR1成员在进化上保守且优先在根中表达，与抗菌防御相关；而PgPR10经历了物种特异性扩张，表现出广泛的组织表达，并具有富含激素和胁迫响应顺式作用元件的启动子。共表达分析（|r| ≥ 0.3，p < 0.001）确定PgPR1-5和PgPR10-8是仅有的与关键人参皂苷生物合成酶显著相关的PR成员。在MeJA处理下，人参皂苷途径表现出双向时间调控，核心PR基因与负调控酶基因*CAS_14*表现出同步表达。本研究表征了PgPR1/PgPR10家族的分子和进化特征，确定了与人参皂苷代谢相关的核心PR基因，并揭示了它们对MeJA的协调响应，为探索PR蛋白与人参皂苷生物合成之间的潜在联系提供了关键见解和候选靶点，并为*P. ginseng*的进一步研究提供了有前景的候选基因。

论文解读文章

人参（*Panax ginseng*）是一种多年生阴生药用植物，长期适应林下弱光、低温和高湿环境，通过积累高浓度人参皂苷形成组成型化学防御屏障。然而，病程相关（PR）蛋白家族是否与人参皂苷生物合成途径存在功能关联，其分子调控基础尚不清楚。PR蛋白是植物受病原侵染或激发子处理后产生的一类防御蛋白，在系统获得抗性（SAR）和诱导系统抗性（ISR）中发挥核心作用。PR1和PR10是研究最深入的两个PR家族，PR1蛋白具有抗真菌活性并作为SAR的生物标志物，PR10蛋白兼具核糖核酸酶活性和胁迫响应功能。以往研究多聚焦于PR蛋白在生物和非生物胁迫中的直接防御作用，而其在次生代谢调控中的潜在角色鲜有涉及。茉莉酸甲酯（MeJA）作为茉莉酸（JA）信号通路的关键信号分子，外源施加能模拟生物胁迫信号并有效诱导植物防御反应，同时也能促进人参皂苷积累，提示MeJA可能协调防御反应与次生代谢。然而，人参PR1和PR10基因家族的全基因组鉴定、进化特征及MeJA信号下的表达调控模式仍不完整，利用共表达网络筛选与人参皂苷生物合成关键酶基因功能关联的PR候选基因的系统研究尚属空白。因此，该研究基于人参基因组数据，对PgPR1和PgPR10基因家族进行系统鉴定，分析其进化特征、保守结构域和启动子顺式作用元件，结合转录组数据研究MeJA诱导下的差异表达，并通过基因共表达网络筛选与人参皂苷生物合成关键酶基因高度关联的候选PR基因，初步揭示PR蛋白参与人参防御反应与次生代谢协同调控的潜在分子机制。

研究人员首先利用HMMER算法在人参基因组和转录组数据库中鉴定出34个PR1/PR10家族成员，包括11个PgPR1和23个PgPR10，它们不均匀分布在15条染色体上。进化分析显示，PgPR1成员与水稻、拟南芥和番茄的PR1同源序列聚为三类，表现出跨物种分布和单子叶-双子叶分化特征，其中PgPR1-1和PgPR1-2形成人参特异性分支；PgPR10成员与多种代表植物的同源序列聚为四类，其中PgPR10家族在Group C和Group D中表现出显著的物种特异性扩张。染色体定位和共线性分析表明，PgPR1家族在chr18形成基因簇，PgPR10家族在chr9和chr21形成核心基因簇，且染色体间存在广泛的同源配对关系。启动子顺式作用元件分析显示，两个家族均富含光和MeJA响应元件，但PgPR10家族的总顺式元件数量显著高于PgPR1家族，且PgPR10家族特异性富集脱落酸（ABA）和低温响应元件。表达模式分析表明，PgPR1家族呈根优先表达模式，PgPR10家族在所有组织中呈组成型高表达，且在不同栽培品种间表现出显著的表达差异。

在共表达网络分析中，研究人员基于42份四年生人参根部的转录组数据，以|r| ≥ 0.3、p < 0.001的严格阈值筛选与人参皂苷生物合成关键酶基因显著关联的PR基因。结果表明，PgPR1-5和PgPR10-8是仅有的与覆盖前体合成、氧化修饰、糖基化和三萜骨架形成等多个关键代谢步骤的酶基因（包括SS_1、SE2_1、SE2_4、FPS_22、CYP716A47_1、CYP716A52v2_3、CYP716A53v2_1、UGT71A27_2、DS_1、DS_3和CAS_14）均显著相关的PR家族成员，形成核心共表达模块。随后，研究人员利用200 μM MeJA处理人参不定根，在0–96 h时间序列中进行RT-qPCR分析。结果显示，MeJA对人参皂苷合成途径产生双向时间调控效应：参与前体合成和氧化修饰的关键酶基因（如FPS_22、UGT71A27_2、CYP716A53v2_1等）被显著上调，而编码环阿屯醇合酶的CAS_14基因在整个处理期间持续显著下调。值得注意的是，PgPR1-5和PgPR10-8的表达趋势与CAS_14高度同步，均维持较低表达水平且未被MeJA显著诱导。研究人员推测这些PR基因可能参与MeJA介导的以CAS_14为主导的三萜合成分支点代谢流再分配。

讨论部分指出，人参PR1家族相对紧凑，而PR10家族经历了显著扩张，这反映了人参作为多年生异源四倍体药用植物对林下荫蔽环境长期适应的选择性扩张。与模式植物和其他药用植物中PR基因多集中于单一胁迫响应不同，人参PR基因的进化分化趋向于协调防御与初生/次生代谢。PgPR1亚家族保持高序列保守性并通过根特异表达发挥基础抗菌功能，PgPR10亚家族则借助Bet-v-1样配体结合域和丰富的激素响应顺式元件，成为连接胁迫响应与代谢调控的关键整合因子。MeJA对人参皂苷途径的双向调控反映了多年生人参的精细适应策略：既促进人参皂苷修饰酶表达，又限制竞争性植物甾醇分支，从而可能将代谢流导向人参皂苷产生，同时避免中间产物过度积累。PgPR1-5和PgPR10-8与CAS_14的紧密同步表达提示它们可能受共享上游调控模块的共同抑制。研究也存在局限性，如共表达网络仅反映表达关联，缺乏直接的分子互作验证，上游信号通路尚不明确，Bet-v-1结构域的配体结合特异性有待深入分析。未来研究可通过基因干扰或过表达技术验证功能，解析PR基因与转录因子的互作，并结合蛋白互作和代谢物结合试验揭示PgPR10参与三萜代谢的机制。

研究结论部分指出，本研究通过转录组和基因组鉴定、进化分析、共表达网络构建及MeJA诱导表达验证等多项实验手段，系统解析了人参PgPR1和PgPR10基因家族的分子特征和进化模式，共获得34个家族成员（11个PgPR1和23个PgPR10）。通过严格共表达网络分析筛选出与人参皂苷生物合成关键酶基因紧密关联的核心PR蛋白家族成员PgPR1-5和PgPR10-8，证实它们是仅有的与覆盖前体合成、氧化修饰、糖基化和三萜骨架合成的关键酶基因显著相关的PR成员，建立了PR蛋白与人参皂苷生物合成途径之间的特异性表达关联，挑战了PR蛋白仅参与胁迫应答的传统观点。研究还阐明了MeJA诱导下PgPR1-5和PgPR10-8与关键人参皂苷生物合成酶基因的协调表达模式：MeJA对人参皂苷途径产生双向时间调控，前体合成和氧化修饰关键酶基因显著上调，而关键三萜骨架合酶基因CAS_14特异性下调，PgPR1-5和PgPR10-8的时间表达谱与CAS_14高度同步，维持低水平表达且无显著上调，证实了它们在MeJA调控下与CAS_14的协调响应。该研究首次系统阐明了PgPR1和PgPR10基因家族的分子特征和进化规律，鉴定了与人参皂苷生物合成相关的核心PR基因，并揭示了这些核心PR基因与关键酶基因的表达关联及其在MeJA调控下的协调响应，拓展了对PR基因家族功能多样性的认识，为深入研究PR蛋白调控人参皂苷生物合成的分子机制提供了重要生物信息学见解和候选靶点，也为培育高人参皂苷含量且抗逆性增强的人参品种提供了理论基础和遗传资源。

该论文发表在《Life》期刊。研究涉及的主要关键技术方法包括：基于HMMER算法的蛋白结构域扫描（E-value < 1 × 10^-6）进行全转录组PR基因鉴定；利用MEGA X软件邻接法构建系统发育树并进行1000次自举检验；染色体定位与共线性分析采用BLASTN比对和R包circlize绘制Circos图；启动子顺式元件分析使用PlantCARE平台；共表达网络构建基于42份四年生人参根转录组数据，使用SPSS计算Spearman和Pearson相关系数，并利用CNSknowall平台可视化网络；MeJA诱导实验使用200 μM MeJA处理人参不定根（由吉林人参遗传资源开发与利用工程研究中心提供，B5培养基继代培养），在0–96 h十个时间点取样，采用RT-qPCR（以Actin 1为内参基因，2^-ΔΔCt法）检测基因表达。