梨全基因组BPC转录因子鉴定及PbBPC5调控干旱耐受性的功能验证

《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide characterization of BPC transcription factors in pear and functional validation of PbBPC5 in drought tolerance regulation

本研究首次在梨基因组中系统鉴定了7个BASIC PENTACYSTEINE（BPC）转录因子，通过系统进化、基因结构和启动子分析揭示其进化特征与调控潜力。研究发现PbBPC5在脱水处理中表达上调最显著，病毒诱导基因沉默（VIGS）实验证实其通过增强活性氧（ROS）清除能力（如提升超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT活性）正调控梨树抗旱性，为梨树抗逆育种提供新靶点。

　　

1 引言

梨（Pyrus bretschneideri）作为重要经济作物，常因干旱胁迫导致产量和品质下降。BASIC PENTACYSTEINE（BPC）是一类植物特有的转录因子，可识别GAGA重复序列或C-box元件（RGARAGRRAA），参与发育调控和胁迫响应。尽管BPC基因在拟南芥、黄瓜等物种中已有研究，但梨中BPC家族的系统鉴定及其在干旱应答中的作用尚未明确。

2 材料与方法

通过BLASTp和隐马尔可夫模型（HMM）从梨基因组中鉴定BPC成员，利用最大似然法构建系统进化树，分析基因结构、保守基序、染色体分布及共线性。启动子顺式作用元件通过PlantCARE数据库预测。采用定量实时PCR（qRT-PCR）检测基因组织表达谱及脱水处理下的表达模式。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）技术构建pTRV2-PbBPC5载体转化梨苗，分析干旱处理下表型及生理指标（相对含水量RWC、电解质渗漏率、丙二醛MDA含量、ROS积累及抗氧化酶活性）。

3 结果

3.1 BPC基因家族的全基因组鉴定

共鉴定到7个梨BPC基因（PbBPC1–PbBPC6.2），编码蛋白含279–340个氨基酸，等电点均大于9，均定位于细胞核。

3.2 系统进化分析

23个BPC蛋白（梨、苹果、桃、拟南芥）分为三类：Class I（含PbBPC1/2）、Class II（含PbBPC3–6.2）、Class III（仅AtBPC7）。梨BPC基因与苹果同源基因聚类最近。

3.3 保守基序与基因结构

Class I成员（PbBPC1/2）基序组成一致，Class II成员基序排列高度相似。所有蛋白均含GAGA结合超家族结构域。基因结构分析显示Class I基因无内含子，Class II基因多含2–3个外显子。

3.4 染色体分布与共线性

PbBPC基因分布于5条染色体和未组装支架，发现2对片段重复基因对（PbBPC5/PbBPC6.2、PbBPC3/PbBPC4），Ka/Ks值均小于1，受纯化选择。梨与苹果间发现13个共线性基因对。

3.5 启动子顺式作用元件分析

启动子区域含发育相关元件（如CAT-box）及胁迫响应元件（如ABRE、MBS），表明PbBPC基因可能参与生长发育和干旱应答调控。

3.6 组织特异性及脱水诱导表达

多数PbBPC基因在芽和子房中高表达。PbBPC5在脱水处理1小时即显著上调7.8倍，表达响应最迅速。

3.7 PbBPC5亚细胞定位

PbBPC5::GFP融合蛋白定位于细胞核，与转录因子功能一致。

3.8 PbBPC5沉默降低抗旱性

VIGS沉默PbBPC5后，干旱处理20天的植株出现更严重萎蔫，RWC显著降低，电解质渗漏率和MDA含量升高，表明细胞膜稳定性受损。

3.9 PbBPC5调控ROS代谢

沉默植株干旱后O₂^?和H₂O₂积累增加，SOD、POD、CAT活性降低，且抗氧化酶相关基因（PbFe-SOD、PbMn-SOD、PbPOD3、PbCAT3）表达下调，表明PbBPC5通过增强ROS清除能力正调控抗旱性。

4 讨论

本研究首次在梨中全基因组鉴定BPC家族，揭示PbBPC5通过调控抗氧化防御系统增强干旱耐受性。结果与黄瓜CsBPC2、白菜BcBPC9等BPC蛋白在胁迫应答中的作用一致，为梨抗逆育种提供候选基因。

5 结论

PbBPC基因家族在梨中保守进化，PbBPC5作为正向调控因子通过激活ROS清除途径提高抗旱性，为解析梨非生物胁迫应答机制及遗传改良奠定基础。