《Plant Physiology and Biochemistry》：In-depth analysis of potential CaAP2/ERF transcription factor related to fatty acid accumulation in Allotetraploid
Coffea arabica and functional characterization of
CaAP2.7 in transgenic tomato
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本研究针对小粒咖啡种子油脂积累转录调控机制不清的问题，系统开展了咖啡AP2/ERF转录因子超家族全基因组鉴定分析。研究人员通过多组学联合分析筛选出与油脂积累正相关的CaAP2.7基因，并在番茄中验证其可通过激活脂肪酸从头合成和TAG组装通路关键基因表达，使总脂肪酸含量提升42-68%。该研究为培育高油咖啡品种提供了重要靶点。
咖啡作为全球重要的经济作物，其种子中的油脂含量是决定咖啡饮料口感、香气留存和氧化稳定性的关键因素。然而，对于小粒咖啡这一异源四倍体作物而言，其种子脂肪酸积累的转录调控机制仍不明确。随着消费者对高品质咖啡需求的增长，通过分子育种手段培育高油脂含量的咖啡品种已成为产业重要方向。在此背景下，解析咖啡油脂合成的关键调控因子具有重要科学价值和应用潜力。
为系统揭示咖啡脂肪酸积累的调控网络，研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了最新研究成果。该研究综合运用生物信息学、分子生物学和遗传转化等技术手段，首次完成了小粒咖啡AP2/ERF转录因子超家族的全基因组鉴定，并通过多组学分析筛选出关键调控基因，最终在模式植物番茄中验证了候选基因的功能。
研究采用的主要技术方法包括：基于咖啡基因组数据的全基因组生物信息学分析、种子发育四个关键时期的转录组测序、脂肪酸含量和气相色谱-质谱联用分析、油体尼罗红染色观察、亚细胞定位实验以及农杆菌介导的番茄遗传转化技术。
3.1. AP2/ERF基因家族系统发育树分析
研究人员从小粒咖啡基因组中鉴定出214个CaAP2/ERF基因，包括ERF亚家族112个、DREB亚家族53个、AP2亚家族33个和RAV亚家族6个成员。系统发育分析显示，CaAP2.7与已知的WRINKLED1转录因子聚类在同一分支，提示其可能参与油脂代谢调控。
3.2. 蛋白质保守基序、结构域和基因结构分析
保守基序分析发现，所有CaAP2/ERF亚家族均共享motif1、motif2、motif3、motif6和motif9等核心基序，这些基序可能是该超家族的主要识别片段。基因结构分析显示，不同亚家族成员的外显子-内含子结构存在显著差异。
3.3. AP2/ERF超家族成员顺式作用元件分析
启动子分析发现，CaAP2/ERF基因启动子区富含环境响应元件(67.0%)和植物激素响应元件(20.5%)，表明这些基因的转录受到上游信号通路的复杂调控。
3.6. 种子发育过程中脂滴动态和脂肪酸积累
脂肪酸含量分析显示，咖啡种子发育过程中总脂肪酸含量呈"U"型变化趋势，在224天达到峰值5.48 g/100 g鲜重。尼罗红染色证实，成熟期种子中小脂滴(2-10 μm)数量显著增加。
3.7. 通过RNA-seq和qRT-PCR分析小粒咖啡AP2/ERF基因表达谱
表达相关性分析发现，5个CaAP2/ERF基因(CaERF105、CaDREB30、CaAP2.7、CaAP2.20和CaAP2.23)的表达与总脂肪酸含量呈正相关，其中CaAP2.7相关性最强(r=0.85)。
3.8. CaAP2.7在小粒咖啡中的亚细胞定位分析
亚细胞定位实验证实CaAP2.7定位于细胞核，符合转录因子的典型特征。
3.9. CaAP2.7-OE和WT植物的转录组测序和差异表达基因分析
转基因番茄转录组分析发现，CaAP2.7过表达导致2,249个基因差异表达，其中脂肪酸代谢和脂肪酸生物合成通路显著富集。
3.10. CaAP2.7对CaAP2.7-OE和WT植物脂肪酸合成和脂质组装相关基因转录的影响
深入分析显示，26个脂肪酸合成相关基因和14个TAG组装相关基因在转基因植株中表达上调，包括SlPDH(E1α)-2、SlACP1-2等关键基因。
3.11. CaAP2.7对CaAP2.7-OE和WT植物脂肪酸含量的影响
脂肪酸测定表明，转基因番茄中棕榈酸、油酸和亚油酸含量显著增加，总脂肪酸含量提高42-68%。
研究结论表明，CaAP2.7是WRINKLED1的功能同源物，能够通过激活脂肪酸从头合成和 triacylglycerol (TAG)组装通路的关键基因表达，显著促进油脂积累。这项研究不仅提供了首个全面的小粒咖啡CaAP2/ERF基因组资源，而且验证了一个可用于分子育种的高优先级靶点，为培育具有更高种子油含量、更优杯品质量和改善营养价值的小粒咖啡品种奠定了重要基础。该发现对理解多年生作物油脂代谢调控网络具有重要理论意义，同时为咖啡品质改良提供了实践指导。
