中国山药中DREB家族的鉴定与特征分析，以及DoDREB28在干旱胁迫下的功能研究

中国薯DREB家族基因组分析及功能验证揭示DoDREB28在干旱响应中的关键作用。通过转录组学和种群基因组分析，鉴定32个DoDREB成员，分为六亚组，功能保守且Hap1在干旱胁迫下显著高表达，为作物抗旱分子育种提供候选基因。

　　

摘要

背景

脱水响应元件结合蛋白（DREB）是非生物胁迫反应的核心转录调控因子，但目前尚未建立中国山药（Dioscorea opposita）的系统性DREB基因位点图谱。鉴于中国山药既是主食作物又是药用块茎，阐明DREB基因的功能具有重要意义。目前尚不清楚中国山药的DREB家族是否以及如何协调对干旱、高盐度或低温的响应。因此，对DREB家族成员进行全基因组范围的调查，并对关键的耐旱调控因子DoDREB28进行功能验证，可能会揭示这种兼具食品和药用价值的作物适应恶劣环境的分子机制。

结果

我们鉴定了32个DoDREB成员，它们被分为六个亚组（A1-A6），这一数量明显低于拟南芥（56个）和水稻（57个）；与其亲缘关系较近的大山药也只有47个基因位点，表明DREB家族在Dioscorea属中的成员数量有所减少。所有同源基因都保留了完整的AP2结构域，且84.62%的重复基因对是通过强烈的纯化选择（Ka/Ks < 0.35）产生的片段重复事件，这凸显了其功能上的保守性。整合干旱、盐胁迫和寒冷胁迫的转录组分析显示，DoDREB家族具有不同的表达模式。具体而言，在20%（w/v）PEG模拟的干旱胁迫下，DoDREB28的表达在24小时内持续上调；而在200 mM NaCl盐胁迫下，其表达则被抑制。在拟南芥中过表达DoDREB28可促进主根伸长、提高脯氨酸含量和SOD活性，并在300 mM甘露醇条件下减少MDA和H?O?的积累，从而证实了更好的渗透调节能力和抗氧化能力有助于提高耐旱性。对101个地方品种进行的群体基因组分析发现了两种单倍型：单倍型1（Hap1）在干旱诱导下的表达显著高于单倍型2（Hap2），而单倍型2在中国湿润地区（山东和湖南省份）更为常见，这表明在驯化过程中选择压力较小。

结论

基于现有数据集，我们系统地分析了中国山药的DREB家族，发现DoDREB28在干旱胁迫下的转录组中表现出显著的上调。可以初步将其归类为参与干旱响应的潜在正调控因子。该基因及其变异位点目前仅作为初步的分子标记资源。