【二区家族】花生UGT基因家族的全基因组分析

一、文章基本信息

在线发表时间：2023年12月7日

第一单位：中国农业科学院油料作物研究所

通讯作者：Yong Lei, Boshou Liao, Xin Wang（通讯作者未单独标注，三人并列†标记）

题目：花生（Arachis hypogaea L.）UDP糖基转移酶基因家族的全基因组分析及一个增强非生物胁迫耐受性的黄酮7OUGT（AhUGT75A）的鉴定

发表期刊：BMC Plant Biology

二、摘要

由UDP糖基转移酶（UGT）催化的糖基化对于增强黄酮类化合物的溶解性、生物活性和多样性具有重要作用。花生（Arachis hypogaea L.）是全球重要的油料和经济作物。除了提供优质的食用油和蛋白质外，花生种子还富含对人体健康有益的黄酮苷。然而，花生中UGT基因家族的信息十分有限。

本研究在花生基因组中鉴定出267个AhUGT基因，聚类为15个系统发育群。其中Ⅰ群扩张最为显著，包含最多的AhUGT基因。片段重复是AhUGT基因家族扩张的主要驱动力。对不同组织及非生物胁迫处理下的基因表达谱进行转录组分析表明，AhUGT基因参与花生生长和非生物胁迫响应。通过体外酶活实验，AhUGT75A（UGT73CG33）被鉴定为一种定位于线粒体的黄酮7OUGT。AhUGT75A的转录水平受非生物胁迫强烈诱导。在拟南芥中过表达AhUGT75A导致丙二醛（MDA）和超氧化物积累减少，并增强了对干旱和/或盐胁迫的耐受性。这些结果表明AhUGT75A通过清除活性氧在赋予非生物胁迫耐受性中发挥重要作用。

本研究不仅为花生UGT基因的功能解析提供了有价值的信息，也为培育兼具理想胁迫耐受性和健康效益的新品种提供了新的见解。

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三、主要结果

1. 图1（系统发育分析）

描述了花生UGT基因家族的系统发育关系。研究通过比对267个AhUGT与拟南芥等物种已知功能UGT的氨基酸序列，构建了最大似然法系统发育树。结果显示，AhUGT基因可分为15个主要群（AH、O、P等），其中缺乏C、Q、R群。Ⅰ群扩张最为显著，包含53个成员，占全部AhUGT的19.9%，扩张比例高达8.63。该图以不同颜色标注各进化群，直观展示了花生UGT基因家族的进化分类及其与已知功能UGT的亲缘关系。

2. 图2（染色体定位与串联重复）

展示了AhUGT基因在花生染色体上的分布及串联重复事件。265个AhUGT基因不均匀分布在20条染色体上，其中B10染色体包含最多基因（31个），A09染色体仅含1个。图中标注了各染色体上的基因数量，并用黑色方框突出显示串联重复的基因簇，例如A04染色体上存在包含AhUGT4347的串联重复簇。该图直观呈现了基因在染色体上的簇状分布特征，暗示串联重复在家族扩张中的作用。

3. 图3（共线性关系）

分析了AhUGT基因在花生内部的共线性关系及其与两个二倍体祖先（A. duranensis和A. ipaensis）的共线性比较。图3A展示了花生内部AhUGT基因的片段重复关系，红色、蓝色和绿色线条分别表示A与B基因组间、A基因组内和B基因组内的重复基因对。图3B显示花生与两个祖先物种间存在大量共线性UGT基因对，其中A. duranensis的A10、A04、A02染色体和A. ipaensis的B10、B04、B02染色体贡献了最多的共线性基因。该图系统揭示了花生UGT基因在多倍化过程中的保留与演化关系。

4. 图4（转录组分析）

展示了AhUGT基因在非生物胁迫下的表达模式。图4A为冷胁迫下78个AhUGT基因在叶片中不同时间点的表达热图；图4B为冷或干旱胁迫下45个上调AhUGT基因的表达谱；图4C为维恩图，显示两个转录组数据中共同上调的29个AhUGT基因。热图以红绿色阶表示基因表达水平高低。结果显示，多数上调基因属于D、E、I和L群，表明这些群可能在胁迫响应中发挥重要作用。

5. 图5（qRTPCR验证）

通过qRTPCR验证了AhUGT75A在非生物胁迫下的表达模式。图5A和B分别展示了AhUGT75A在花生幼苗根和叶中受冷、盐、干旱胁迫诱导表达的变化。结果表明，AhUGT75A在根和叶中均受胁迫显著上调，尤其在根中响应更为强烈。该图以柱状图形式呈现了转录水平的定量变化，证实了转录组数据的可靠性，并为AhUGT75A在胁迫响应中的功能提供了实验支持。

6. 图6（酶活与亚细胞定位）

该部分对AhUGT75A进行了酶学性质鉴定和亚细胞定位分析。图6A为纯化重组AhUGT75A蛋白的SDSPAGE图；图6B显示该酶对多种黄酮底物具有糖基化活性，其中对柚皮素活性最高；图6CD为HPLC和LCMS分析结果，证实其催化生成黄酮7O葡萄糖苷；图6E显示AhUGT75AGFP融合蛋白与线粒体标记蛋白共定位，表明其定位于线粒体。这些结果共同证明AhUGT75A是一种定位于线粒体的黄酮7O糖基转移酶。

7. 图7（过表达功能验证）

验证了AhUGT75A在拟南芥中过表达对非生物胁迫耐受性的影响。图7A显示过表达株系在干旱和盐胁迫下生长表现更好；图7BC显示其电解质渗漏率和MDA含量低于野生型；图7D的NBT染色表明过表达株系中超氧化物积累更少。综合结果表明，AhUGT75A通过增强ROS清除能力，提高植物对干旱和盐胁迫的耐受性。

四、总结

本研究对花生UDP糖基转移酶基因家族进行了全基因组系统性分析，鉴定出267个AhUGT基因，并深入解析了其系统发育、染色体分布、基因结构、共线性关系、顺式作用元件及表达模式。研究发现Ⅰ群基因在花生中显著扩张，片段重复是家族扩张的主要机制；AhUGT基因广泛参与花生生长发育及非生物胁迫响应。研究进一步聚焦于D群中的AhUGT75A，通过体外酶活实验证实其为黄酮7O糖基转移酶，并定位于线粒体。功能验证表明，AhUGT75A受胁迫诱导表达，在拟南芥中过表达可显著增强植株对干旱和盐胁迫的耐受性，其机制可能与ROS清除能力增强有关。该研究不仅为花生UGT基因的功能研究提供了重要基础，也为培育抗逆、高营养花生品种提供了新的基因资源和理论依据。