《Frontiers in Plant Science》：Identification and characterization of LEA gene family in physic nut and functional analysis of JcLEA1 under drought stress
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本研究首次对麻风树（Jatropha curcas）晚期胚胎发生丰富（LEA）基因家族进行了系统性鉴定与分析，揭示了24个JcLEA基因在系统进化、基因结构及非生物胁迫响应中的关键作用。功能验证表明，过表达JcLEA1可通过增强渗透调节物质（如脯氨酸、甜菜碱）积累、提高超氧化物歧化酶（SOD）活性、降低相对电解质渗漏和丙二醛（MDA）含量，显著提升转基因拟南芥的干旱耐受性，为麻风树抗逆分子育种提供了重要候选基因和理论依据。
Identification and characterization of LEA gene family in physic nut and functional analysis of JcLEA1 under drought stress
引言
晚期胚胎发生丰富（Late Embryogenesis Abundant, LEA）蛋白是一类高度亲水、富含甘氨酸的蛋白质，在种子发育晚期大量积累，并在植物非生物胁迫响应中发挥关键作用。麻风树（Jatropha curcas）作为一种耐旱性强、具有重要生物能源价值的物种，其LEA基因家族的系统性研究和功能表征仍较为缺乏。本研究旨在对麻风树LEA基因家族进行全基因组鉴定，并深入探究JcLEA1在干旱胁迫中的功能。
材料与方法
研究以麻风树近交栽培种GZQX0401为材料，利用拟南芥和水稻的LEA蛋白序列进行BLASTP同源搜索，结合Pfam和SMART数据库注释，鉴定出24个JcLEA基因。通过系统进化分析、基因结构分析、保守基序鉴定、染色体定位、启动子顺式作用元件分析以及表达谱分析，全面解析JcLEA基因家族的特征。利用农杆菌介导的拟南芥遗传转化获得JcLEA1过表达株系，并通过干旱胁迫表型及生理指标（相对电解质渗漏、MDA含量、脯氨酸含量、SOD活性、甜菜碱含量）测定评估其抗旱性。
结果
麻风树LEA基因家族成员的鉴定
共鉴定出24个JcLEA基因，其编码的蛋白长度在80-417个氨基酸之间，分子量为8.74-44.80 kDa，等电点（pI）范围为4.61-10.12，GRAVY值均为负值，证实其高亲水性。大部分JcLEA蛋白不稳定。
LEA蛋白的系统进化分析
基于24个麻风树、34个水稻和51个拟南芥LEA蛋白构建系统进化树，将JcLEA蛋白划分为8个亚家族（LEA_1至LEA_6、脱水素Dehydrin, DHN、种子成熟蛋白Seed Maturation Protein, SMP），未发现AtM亚组成员。
JcLEA基因的基因结构分析
基因结构分析显示JcLEA基因含有1-4个外显子和0-3个内含子，其中5个基因无内含子。同一进化亚组内的基因具有相似的内含子-外显子结构。
JcLEA蛋白保守基序分析
MEME分析鉴定出20个保守基序，其分布具有亚组特异性，支持了系统进化分组的可靠性。
JcLEA蛋白的染色体定位
24个JcLEA基因不均匀分布在9个连锁群（Linkage Groups, LGs）上，LG5和LG11上未发现JcLEA基因。发现三个串联重复基因簇：JcLEA8/JcLEA9/JcLEA10、JcLEA11/JcLEA12和JcLEA19/JcLEA20/JcLEA21。
JcLEA基因启动子顺式作用元件分析
在JcLEA基因启动子区预测到大量与发育、激素应答（如脱落酸Abscisic Acid, ABA、茉莉酸甲酯Methyl Jasmonate, MeJA、赤霉素Gibberellin, GA）及胁迫响应（如低温、厌氧、干旱）相关的顺式作用元件。
JcLEA基因的表达谱分析
组织特异性表达显示，大多数JcLEA基因在种子中优势表达，尤其在种子发育晚期。5个基因（JcLEA3, JcLEA8, JcLEA9, JcLEA10, JcLEA16）呈现种子特异性表达模式。干旱和盐胁迫下，13个JcLEA基因在根部表现出显著表达变化，其中JcLEA1、JcLEA4和JcLEA21在干旱胁迫下诱导表达尤为明显。
JcLEA1蛋白的亚细胞定位
亚细胞定位实验表明，JcLEA1-GFP融合蛋白在拟南芥原生质体中定位于细胞核。
JcLEA1增强拟南芥的干旱耐受性
与野生型相比，过表达JcLEA1的转基因拟南芥在干旱胁迫下表现出更强的存活率、更低的相对电解质渗漏和MDA含量，以及更高的脯氨酸积累、SOD活性和甜菜碱含量，证实JcLEA1通过维持膜稳定性、增强渗透调节和抗氧化能力来提高抗旱性。
讨论
本研究在麻风树中鉴定出一个成员数量少于拟南芥和水稻的LEA基因家族，可能反映了该耐旱物种在进化过程中对关键LEA基因的特异性保留。JcLEA基因在种子发育晚期和干旱胁迫下的特异性表达模式与其经典功能一致。JcLEA1过表达显著增强转基因拟南芥的干旱耐受性，其机制涉及减轻膜脂过氧化、促进渗透调节物质积累和增强抗氧化防御系统，这与其它物种中LEA蛋白的功能保守。研究结果为利用JcLEA基因进行麻风树抗逆分子育种奠定了理论基础。
结论
研究成功鉴定了麻风树24个JcLEA基因，并对其进行了系统的生物信息学分析和表达谱鉴定。功能验证表明JcLEA1是参与干旱胁迫响应的关键正调控因子。这些发现为了解麻风树LEA基因的功能及其在非生物胁迫适应中的作用提供了重要见解，为后续抗逆育种提供了有价值的基因资源。
