《Frontiers in Plant Science》：Function diversity of the expansin subfamily genes in Populus tomentosa
编辑推荐：
本研究系统解析了毛果杨（Populus tomentosa）中四个扩张蛋白亚家族基因（PtoEXPA8、PtoEXPB3、PtoEXLA2、PtoEXLB1）的序列特征、表达模式及功能分化。通过转基因烟草实验发现，各基因在叶片发育（PtoEXPA8）、花期调控（PtoEXPB3）、株高增长（PtoEXLA2/EXLB1）及热胁迫耐受性（PtoEXPA8表现最优）中发挥独特作用，揭示了扩张蛋白亚家族在木本植物适应性进化中的功能多样性，为林木分子设计育种提供理论依据。
引言
扩张蛋白（expansin）是植物细胞壁的关键组分，通过破坏纤维素、木葡聚糖和半纤维素间的非共价键，增强细胞壁延展性。根据序列同源性，植物扩张蛋白分为四个亚家族：EXPA、EXPB、EXLA和EXLB。不同物种中扩张蛋白家族组成差异显著，如水稻包含33个EXPA、18个EXPB、4个EXLA和1个EXLB基因，而玫瑰中仅有25个EXPA、3个EXPB、1个EXLA和2个EXLB基因。EXPA和EXPB亚家族具有保守的HFD基序，且各亚家族基因的内含子类型存在差异。
材料与方法
以毛果杨TC1521无性系为材料，克隆四个扩张蛋白亚家族基因（PtoEXPA8、PtoEXPB3、PtoEXLA2、PtoEXLB1），通过农杆菌介导法转化烟草，评估转基因植株在生长性状（株高、叶面积、花期、花径、千粒重）和热胁迫（42°C处理3天）下的生理指标（相对电导率REL、丙二醛MDA、叶绿素、脯氨酸含量及超氧化物歧化酶SOD活性）。蛋白质结构通过SignalP、SMART、SOPMA等在线工具预测。
结果
扩张蛋白基因的序列与结构特征
四个基因编码的氨基酸数量为250-276，序列一致性仅为20%-43%。关键氨基酸半胱氨酸（C）和色氨酸（W）在催化结构域（DPBB_1）和结合结构域（Pollen_allerg_1）中高度保守，如69C、218W等位点。二级结构分析显示随机线圈占比最高（49.33%），但各蛋白的α螺旋（10.69%-20.80%）和β转角（5.20%-8.03%）比例差异显著。PtoEXPA8分子量最大（30.36 kDa），且为唯一碱性蛋白（等电点6.71），其脂族指数（80.22）表明热稳定性较强。
组织特异性表达模式
PtoEXPB3在花和叶片中表达量最高，分别为PtoEXLB1的23.12倍和3.92倍；PtoEXLB1在根中优势表达，达PtoEXPA8的8.38倍。热胁迫下，PtoEXPA8和PtoEXPB3表达量分别上调232.61%和25.00%，而PtoEXLA2和PtoEXLB1无显著变化。
转基因烟草表型分析
过表达PtoEXLA2和PtoEXLB1使株高增加6.14%和5.78%；PtoEXPB3促进花径增大7.80%且花期提前21天；PtoEXPA8显著提高叶面积29.50%。PtoEXLA2却导致千粒重下降44.82%。
热胁迫响应机制
热胁迫下，PtoEXPA8转基因株系的REL和MDA含量仅为野生型的0.68倍和0.85倍，叶绿素和SOD活性提升1.84倍和2.11倍。主成分分析显示PtoEXPA8综合抗性评分最高（2.75），显著优于其他基因。
讨论
扩张蛋白亚家族的功能分化与其序列变异密切相关。例如，EXPA亚家族（如PtoEXPA8）更多参与营养生长和热胁迫响应，而EXPB亚家族（如PtoEXPB3）偏向生殖发育。保守的半胱氨酸和色氨酸残基（如106C、229W）对维持蛋白基础功能至关重要，而亚家族特异性位点（如PtoEXPB3的111C）可能驱动功能特异性。二级结构中α螺旋比例与抗逆性正相关，进一步解释了PtoEXPA8在热胁迫中的优势表现。本研究为林木抗逆育种提供了关键基因资源。
