大豆FBA基因家族的全基因组分析及其在盐碱胁迫下的表达谱

《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide analysis of the FBA gene family in soybean and their expression profile under salt-alkali stress

　　

果糖-1,6-二磷酸醛缩酶（Fructose-1,6-bisphosphate aldolases，FBAs；EC 4.1.2.13）是参与糖酵解（glycolysis）、糖异生（gluconeogenesis）和卡尔文循环（Calvin cycle）的核心酶，在碳分配、植物生长发育以及非生物胁迫适应中发挥重要功能。尽管FBA基因家族已在多种植物物种中得到系统鉴定，但大豆（Glycine max）中FBA的全基因组特征迄今尚未见报道，这限制了对GmFBA基因在胁迫适应中保守功能和豆科特异功能的阐明。在本研究中，研究人员在大豆基因组中共鉴定到13个FBA基因，命名为GmFBA1至GmFBA13，它们不均匀地分布在20条大豆染色体中的9条上。亚细胞定位预测显示，6个GmFBA蛋白定位于叶绿体，其余7个分布于细胞质。系统发育分析将这些基因分为四个不同的类群，同一类群内的成员具有相似基因结构特征。共线性分析表明，片段重复事件是GmFBA基因家族扩张的主要驱动力。启动子序列分析显示，GmFBA基因上游调控区含有多种与激素应答和胁迫耐受相关的顺式作用元件（cis-acting elements），提示GmFBA基因的表达可能受多种发育信号和环境胁迫的调控。表达谱分析表明，GmFBA基因在大豆不同器官和组织中呈现差异表达模式，多个GmFBA基因在生物和非生物胁迫条件下表现出显著的表达变化。转录组分析揭示了GmFBA基因在盐碱胁迫下的不同表达模式。此外，实时荧光定量PCR（quantitative real-time PCR）检测表明，两个特定的GmFBA基因GmFBA2和GmFBA11显著上调。这些发现提示GmFBA2和GmFBA11可能作为参与盐碱胁迫适应性反应的候选基因。总之，本研究首次对大豆FBA基因家族进行了全面鉴定，提出了盐碱耐受性育种的候选基因，并为后续功能研究奠定了基础。

**大豆FBA基因家族全基因组分析及盐碱胁迫表达谱研究解读**

研究背景方面，果糖-1,6-二磷酸醛缩酶（Fructose-1,6-bisphosphate aldolase，FBA；EC 4.1.2.13）是糖酵解、糖异生和卡尔文循环共用的核心酶，在碳分配、生长发育及非生物胁迫适应中发挥关键作用。此前FBA基因家族已在拟南芥、水稻、番茄等物种中完成系统鉴定，然而在大豆中尚无全基因组水平的表征，导致大豆FBA成员在胁迫适应中的保守与豆科特异功能难以阐明。盐碱胁迫兼具离子毒害、渗透失衡和高pH伤害，严重干扰植物碳代谢稳态，制约全球作物生产。大豆作为重要粮油作物，解析其FBA基因家族对耐盐碱育种具有明确价值。因此，研究人员开展了本研究。

研究人员利用生物信息学方法，在大豆基因组中共鉴定出13个FBA基因，命名为GmFBA1至GmFBA13，分布于9条染色体上。通过理化性质预测、亚细胞定位预测、系统发育分析、基因结构与保守基序分析、启动子顺式元件分析、复制事件分析、组织表达谱分析以及多种胁迫下的表达分析，系统揭示了该家族的特征。进一步利用转录组测序和实时荧光定量PCR验证了盐碱胁迫下的表达变化，发现GmFBA2和GmFBA11持续显著上调，被认定可能参与盐碱胁迫适应性反应。该研究首次全面报道了大豆FBA基因家族，为理解其进化及功能分化提供了基础数据，也为耐盐碱育种提供了候选基因资源。论文发表在《Frontiers in Plant Science》。

关键技术方法方面，研究人员采用HMMER和BLASTP搜索大豆基因组（Wm82.a4.v1），结合InterPro保守结构域验证鉴定家族成员；利用ProtParam和Plant-mPLoc预测蛋白理化性质及亚细胞定位；使用MCScanX和TBtools进行染色体定位、共线性与复制事件分析；用MEGA11构建邻接法系统发育树；用PlantCARE预测启动子顺式元件；用MEME鉴定保守基序；从SoyOmics数据库获取大豆7种组织/器官表达数据，从Plant Public RNA-seq数据库获取14种生物/非生物胁迫转录组数据。盐碱胁迫实验以耐盐品种“QH34”为材料，采用150 mM Na⁺（pH 8.9）水培处理，在2、6、12、24小时采集根进行转录组测序（NCBI SRA登录号PRJNA1476727）和qRT-PCR验证。

研究结果方面，分述如下。**GmFBA基因的鉴定及其蛋白理化性质特征**：通过HMMER和BLASTP搜索并验证完整Glycolytic结构域，鉴定到13个GmFBA基因；蛋白分子量38.26–42.95 kDa，等电点6.26–8.52，均为亲水蛋白；6个蛋白预测定位于叶绿体，7个定位于细胞质。**GmFBA基因的染色体分布与复制分析**：13个基因不均匀分布于9条染色体，共线性分析鉴定到9对片段重复和1对串联重复（GmFBA7/GmFBA8）；所有重复基因对Ka/Ks比值介于0.03–0.19，表明受强纯化选择；估算复制事件发生于5.84–203.04百万年前。**GmFBA基因的系统发育分析**：利用4个物种共37个FBA蛋白构建NJ树，划分为5个组；Group V仅含水稻和番茄成员，其余4组均含大豆成员，其中Group IV包含最多（5个）GmFBA蛋白。**GmFBA基因的结构与基序组成**：同一组内基因具有相似外显子-内含子结构，Group I和II（叶绿体定位）含6个外显子5个内含子，且N端具有34–44个氨基酸延伸，推测为叶绿体转运肽；Group III和IV（细胞质定位）含3个外显子2个内含子；所有GmFBA蛋白共享5个保守基序。**GmFBA基因启动子中顺式作用元件的分布**：启动子区共含有与生长发育、胁迫应答及激素响应相关的24种顺式元件，其中厌氧诱导元件最多（30个），其次为防御与胁迫应答元件（17个）、脱落酸响应元件（23个）等。**GmFBA基因在大豆不同组织中的表达谱**：基于SoyOmics RNA-seq数据，Group I基因在子叶、茎、叶等光合器官高表达；Group II基因在根中表达最高；Group IV中GmFBA1、GmFBA3、GmFBA12在所有组织中组成型高表达，GmFBA5和GmFBA10在根中高表达。**GmFBA基因对生物和非生物胁迫的响应**：利用多个生物胁迫公共转录组数据，发现GmFBA9在胞囊线虫侵染下上调11.33倍；GmFBA5在镰刀菌侵染根中持续上调；非生物胁迫方面，干旱诱导GmFBA8和GmFBA9在根中上调至8.14倍，盐胁迫下GmFBA2在根中24小时上调8.74倍，GmFBA5和GmFBA10显著下调。**盐碱胁迫下GmFBA基因的转录组及qRT-PCR验证**：对QH34根系进行盐碱处理后转录组测序，发现GmFBA2和GmFBA11在所有时间点持续上调；qRT-PCR验证结果与转录组高度一致（R=0.9091，p<0.001），二者在24小时达到最高诱导（FC 8.58和8.80）；而GmFBA1、GmFBA5、GmFBA10、GmFBA13显著下调。

讨论部分指出，GmFBA基因家族受强纯化选择，反映其维持核心碳代谢网络的进化策略；基因结构差异与亚细胞定位及功能分工相关；启动子中丰富的顺式元件表明其表达受发育和环境信号精细调控。在盐碱胁迫下，GmFBA2和GmFBA11上调可能增强胞质糖酵解通量，为离子转运和渗透调节物质合成提供能量，而其他成员下调可能有助于将碳骨架从生长导向的合成代谢转向胁迫防御，形成代谢权衡。该研究也存在局限，如仅使用单个耐盐品种，未来需在不同大豆种质中验证，并结合蛋白定量、酶活测定、糖酵解中间产物分析及CRISPR-Cas9基因编辑等功能实验阐明具体机制。

研究结论（翻译）：本研究在大豆基因组中鉴定到13个GmFBA基因，不均匀分布在20条染色体中的9条上，并划分为五个系统发育类群。片段重复是基因家族扩张的主要驱动力，重复基因对受到强纯化选择（低Ka/Ks比值0.03–0.19）。亚细胞定位显示Group I和II蛋白定位于叶绿体，Group III和IV定位于细胞质，这与前者具有N端延伸的转运肽有关。表达分析显示Group I基因在光合器官高表达，Group II在根中高表达，而Group IV中三个基因（GmFBA1、GmFBA3和GmFBA12）在所有组织中组成型表达。值得注意的是，在盐碱胁迫下GmFBA2和GmFBA11持续上调，提示碳代谢发生重编程。本研究首次全面表征了大豆FBA基因家族，为后续研究特别是GmFBA2和GmFBA11候选基因在耐盐碱育种中的功能验证奠定了基础。