在干旱和盐胁迫条件下，小麦磷酸转运蛋白的全基因组鉴定、系统发育分析及其差异表达研究

《Cereal Research Communications》：Genome-wide identification, phylogeny, and differential expression of wheat phosphate transporters under drought and salinity stress conditions

小麦磷转运蛋白（PHT）基因家族的系统分析揭示了单子叶植物特有的PHT1亚家族扩张及调控网络，明确了TaPHT1和TaPHT11在耐旱耐盐中的核心作用，为分子育种提供了理论依据。

　　

摘要

磷酸盐（Pi）是一种必需的大量营养素，植物进化出了多种转运蛋白家族，以在环境条件变化的情况下维持磷酸盐的吸收、再利用和稳态。在这项研究中，我们对小麦（Triticum aestivum L.）中的磷酸盐转运蛋白（PHT）基因家族进行了全面的基因组分析，结合了比较系统基因组学、结构分析、调控分析、功能分析和表达分析。通过与大麦、水稻、玉米、高粱和拟南芥的系统发育比较，我们将PHT家族分为四个主要分支，发现单子叶植物中PHT1转运蛋白有显著扩张，而双子叶植物中则保留了某些细胞内亚家族。基因结构和MEME基序分析证实了PHT家族具有保守的12跨膜结构（属于Major Facilitator Superfamily, MFS超家族），且分支间的变异有限；启动子分析揭示了丰富的顺式调控网络，该网络将磷酸盐状态与光照、激素和非生物胁迫信号联系起来。亚细胞定位预测表明，大多数TaPHT转运蛋白位于质膜上，少数位于液泡、内质网、高尔基体或叶绿体中，这表明其功能具有多样性。基因本体论分析进一步支持了它们在主动跨膜转运磷酸盐中的作用。蛋白质-蛋白质相互作用网络显示，多个TaPHT转运蛋白的调控中心通过共同的转运和调控伙伴相互关联。在非生物、生物和营养处理条件下进行的表达分析将TaPHTs分为两个功能模块：一类是对磷酸盐供应有响应的转运蛋白（TaPHT1/2），另一类是对生物胁迫和水分状况有响应的转运蛋白（TaPHT3/11），后者在镰刀菌感染和重新浇水时被诱导表达。时间序列qRT-PCR分析显示，干旱和盐胁迫会引发PHT家族中不同基因的特异性表达变化，其中盐胁迫引起的诱导更为强烈且持续时间长。相对基因表达结果表明，TaPHT1和TaPHT11是主要的胁迫响应转运蛋白，其表达迅速、强烈且持久上调；TaPHT3的表达则表现为中等程度的盐胁迫依赖性响应，而TaPHT2仅表现出微弱的短暂变化。这些发现揭示了小麦在应对干旱和盐胁迫时磷酸盐转运机制的差异性，并确定TaPHT1和TaPHT11是提高养分利用效率和耐非生物胁迫的关键基因。总体而言，这些结果表明小麦的PHT转运蛋白兼具保守的结构特征和特定谱系的扩展及专门的调控机制，同时发挥基础磷酸盐稳态维持和适应性胁迫响应的双重作用。这一综合框架为分子育种和生物技术策略中TaPHT基因的功能优先级排序提供了依据，有助于提高谷物的磷酸盐利用效率和抗逆性。

磷酸盐（Pi）是一种必需的大量营养素，植物为了在环境条件变化的情况下维持磷酸盐的吸收、再利用和稳态，进化出了多种转运蛋白家族。在这项研究中，我们对小麦（Triticum aestivum L.）中的磷酸盐转运蛋白（PHT）基因家族进行了全面的基因组分析，结合了比较系统基因组学、结构分析、调控分析、功能分析和表达分析。通过与大麦、水稻、玉米、高粱和拟南芥的系统发育比较，我们将PHT家族分为四个主要分支，发现单子叶植物中PHT1转运蛋白有显著扩张，而双子叶植物中则保留了某些细胞内亚家族。基因结构和MEME基序分析证实了PHT家族具有保守的12跨膜结构（属于Major Facilitator Superfamily, MFS超家族），且分支间的变异有限；启动子分析揭示了丰富的顺式调控网络，该网络将磷酸盐状态与光照、激素和非生物胁迫信号联系起来。亚细胞定位预测表明，大多数TaPHT转运蛋白位于质膜上，少数位于液泡、内质网、高尔基体或叶绿体中，这表明其功能具有多样性。基因本体论分析进一步支持了它们在主动跨膜转运磷酸盐中的作用。蛋白质-蛋白质相互作用网络显示，多个TaPHT转运蛋白的调控中心通过共同的转运和调控伙伴相互关联。在非生物、生物和营养处理条件下进行的表达分析将TaPHTs分为两个功能模块：一类是对磷酸盐供应有响应的转运蛋白（TaPHT1/2），另一类是对生物胁迫和水分状况有响应的转运蛋白（TaPHT3/11），后者在镰刀菌感染和重新浇水时被诱导表达。时间序列qRT-PCR分析显示，干旱和盐胁迫会引发PHT家族中不同基因的特异性表达变化，其中盐胁迫引起的诱导更为强烈且持续时间长。相对基因表达结果表明，TaPHT1和TaPHT11是主要的胁迫响应转运蛋白，其表达迅速、强烈且持久上调；TaPHT3的表达表现为中等程度的盐胁迫依赖性响应，而TaPHT2仅表现出微弱的短暂变化。这些发现揭示了小麦在应对干旱和盐胁迫时磷酸盐转运机制的差异性，并确定TaPHT1和TaPHT11是提高养分利用效率和耐非生物胁迫的关键基因。总体而言，这些结果表明小麦的PHT转运蛋白兼具保守的结构特征和特定谱系的扩展及专门的调控机制，同时发挥基础磷酸盐稳态维持和适应性胁迫响应的双重作用。这一综合框架为分子育种和生物技术策略中TaPHT基因的功能优先级排序提供了依据，有助于提高谷物的磷酸盐利用效率和抗逆性。