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火参果（Selenicereus undatus）在单、多因素胁迫下通过Class III过氧化酶（POD）基因家族调控抗氧化防御，褪黑素显著缓解胁迫损伤并影响POD基因表达模式，为揭示其抗逆机制提供依据。
阿米尔·阿里·霍克哈尔（Aamir Ali Khokhar）| 张友（Zhang You）| 刘辉（Liu Hui）| 达里亚·汗（Darya Khan）| 卡马尔·乌·扎曼（Qamar U Zaman）| 巴巴尔·乌斯曼（Babar Usman）| 王华峰（Hua-Feng Wang）
中国海南省三亚市海南大学亚洲湾种子科技城南繁研究所，572025
摘要
背景
Selenicereus undatus（简称）是一种附生仙人掌，主要在亚洲种植。干旱、盐碱和重金属胁迫是其生长和产量的主要限制因素。多项研究表明，III类过氧化物酶（PODs）是植物应对氧化和非生物胁迫的重要基因。然而，关于中POD基因的基因组结构和功能分析尚未得到充分研究。
结果
本研究探讨了在单一和多因素环境胁迫下的生理和分子响应，并与褪黑素补充进行了比较。结果表明，胁迫显著增加了过氧化物酶（POD）的活性和过氧化氢（H?O?）的积累，而褪黑素的应用通过维持氧化还原状态平衡促进了生长，从而显著减轻了这些效应。转录组分析发现，在不同胁迫处理下，HuPOD基因家族存在明显的差异表达。在基因组中鉴定出75个HuPOD基因，并将其分为五个系统发育亚组。其中，HuPOD-02/05/06/12/13/29在复合胁迫下显著上调，而HuPOD-36/56在单一胁迫条件下略有下调。KEGG富集分析显示，在单一和多因素胁迫下，差异表达的HuPOD基因在MAPK信号通路、谷胱甘肽代谢和苯丙素生物合成途径中显著富集，表明这些基因在的氧化胁迫调节和信号转导中起关键作用。RT-qPCR验证证实了五个代表性基因（HuPOD-01/10/36/56/62）的RNA-seq表达模式，其中HuPOD-10/62在褪黑素补充胁迫（Cd+S+D+M）下表达最高。
结论
这些发现表明，POD基因家族可能参与对单一和多因素胁迫的响应。本研究为进一步开发和验证中POD基因家族的功能提供了科学依据。
引言
火龙果（S.undatus）是一种热带至亚热带结果实的仙人掌物种，具有重要的农业和经济潜力。它适应多种农业生态区，包括干旱和半干旱地区，甚至能在某些红树林区域生存（Zaman等人，2023a，2023b）。火龙果被认为具有强大的防御系统，能够抵御生物和非生物威胁。然而，气候变化可能影响其产量。据报道，温度超过38°C会缩短火龙果花蕾的发育时间，导致开花频率降低15-20%。如果不立即解决这个问题，火龙果在气候变化的情况下可能会面临严重困境。“适应”是指植物在多种胁迫下调整其生理、分子和生化状态的能力。这种适应性反应对植物生存和生产力至关重要，尤其是在气候变化条件下同时经历一种或多种胁迫时（Sewelam等人，2020；Zandalinas和Mittler，2022；Zandalinas等人，2024）。
在植物物种中，PODs分布广泛，预计在植物系统中发挥多种生理作用（De等人，2021）。这些作用涉及木质素的生物合成、生长素的代谢以及对抗病原体的防御机制。火龙果生长在恶劣环境中，但该植物面临非生物胁迫挑战，可以作为研究如III类过氧化物酶等基因和家族的模型（Eljebbawi等人，2022）。然而，关于中过氧化物酶基因家族的研究相对较少，对其功能了解甚少。本研究通过研究的III类过氧化物酶（HuPOD）基因家族来探索其在非生物胁迫下的功能。为此，我们结合了系统发育、结构和表达分析，以探讨这些基因的进化及其多样性。此外，我们计划确定HuPODs及其与模式植物（如拟南芥（Arabidopsis thaliana和油菜（Brassica napus））之间的结构差异。
中国是全球最大的火龙果生产国，占全球产量的57%（Yang等人，2017）。重金属对中国海南等热带地区的火龙果生产有影响。非生物胁迫耐受机制已分别或与重金属组合进行了研究（Berens等人，2019；Rivero等人，2022；Sinha等人，2023）。然而，火龙果中的许多遗传、激素和信号传导相互作用仍需进一步研究。随着新的火龙果基因组序列的获得（Chen等人，2021），关于基因如何促进植物存活和生长的研究已经开始（Zaman等人，2023a，2023b）。我们将火龙果幼苗暴露于单一因素（一种胁迫）、双因素（两种胁迫组合）和多因素（三种或更多胁迫同时作用）条件下（Zandalinas等人，2021）。褪黑素是一种从色氨酸衍生的天然产物，也研究了其在同时应对多因素胁迫中的作用。通过使用单一胁迫（Cd、S、D）、双因素镉+盐碱（CdS）、镉+干旱（CdD）、多因素胁迫（CdSD）以及在施加多因素胁迫前使用褪黑素（CdSM、CdDM、CdDSM），本研究旨在考察这些条件下的基因表达模式。基于转录组分析预测了十个候选基因，并通过RT-qPCR验证了结果。此外，还进行了抗氧化酶测定，以确定植物是否在单一、双因素和多因素胁迫下产生抗氧化剂。
植物材料与生长条件
红色果皮白色果肉火龙果品种‘双色大红’（‘Shuangse Dahong’ Selenicereus undatus）的种子来自中国海南省琼海市的海南圣大现代农业发展有限公司。实验在中国海南大学亚洲湾种子科技城的南繁研究所进行。火龙果种子首先放置在滤纸上发芽。六天后，选择出均匀的幼苗并移栽到水培盆中
S.undatus>中HuPOD基因家族的特征
在删除重复序列后，利用POD蛋白作为查询序列，在基因组中发现了总共75个基因。所有鉴定出的POD蛋白根据其在基因组中的物理位置重新命名，命名为HuPOD1_HuPOD75。S. undatus中POD基因的预期蛋白长度和分子量范围为14,315.5 kDa至113,448.21 kDa，总变异为99,132.71 kDa。理论pI值从4.5（HuPOD12）到10.19（HuPOD52）不等
单一和复合胁迫下的生理特性
本研究表明，S.undatus>在盐碱、干旱和镉胁迫下表现出明显的生理和生化响应，褪黑素能有效缓解胁迫引起的损伤。由于胁迫导致的过氧化氢（H?O?）显著增加与植物在非生物胁迫下观察到的普遍氧化爆发一致（如Solanum lycopersicum（Zhang等人，2022）和Zea mays（Ihsan等人，2023）的褪黑素研究中所见）。这一证据表明
结论
本研究从生理和分子水平探讨了对单一和多因素胁迫的响应。我们从基因组中鉴定出75个HuPOD基因家族成员，并根据系统发育分析将其分为5个亚组。通过生物信息学方法分析它们的系统发育关系、基因重复以及启动子区域的顺式作用元件，并利用转录组分析不同条件下的HuPODs表达模式
伦理批准和参与同意
不适用
未引用的参考文献
(Chu和Chang，2020；de Oliveira等人，2021；Jomova等人，2024；Mansour和Ali，2017；Mbadinga Mbadinga等人，2020；Rhee，2003；Wang等人，2022；Wang等人，2022；Yang等人，2024)
资助
本研究得到了以下机构的财政支持：海南省科技专项基金（ZDYF2022XDNY190）；三亚亚洲湾科技城项目（SCKJ-JYRC-2022-83）；中国海南省自然科学基金（421RC486）；以及南繁和高效热带农业协同创新中心（XTCX2022NYB09）。
CRediT作者贡献声明
卡马尔·乌·扎曼（Qamar U Zaman）：软件、方法学、实验设计。达里亚·汗（Darya Khan）：正式分析、数据管理。王华峰（Hua-Feng Wang）：监督、项目管理、概念构思。巴巴尔·乌斯曼（Babar Usman）：验证、方法学、实验设计。阿米尔·阿里·霍克哈尔（Aamir Ali Khokhar）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学、正式分析、概念构思。刘辉（Liu Hui）：数据可视化、资源获取。张友（Zhang You）：软件开发、概念构思。利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。作者声明没有竞争性利益。
致谢
我们感谢Muhammad Azhar Hussian和Muhammad Ikram在生理数据收集和生物信息学分析方面的帮助。
利益冲突
作者声明没有竞争性利益。
出版同意
不适用。
