《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide identification, classification, and expression pattern analysis of the TCP transcription factor family in carrot
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胡萝卜（Daucus carota L.）是重要的伞形科根茎类蔬菜。本研究通过生物信息学方法，首次在胡萝卜全基因组范围系统鉴定出50个TCP基因家族成员（DcTCPs），并对其理化性质、进化关系、表达模式及调控网络进行了深入分析。研究发现，DcTCPs主要定位于细胞核，结构简单且内含子少，并富含与光、激素及逆境响应相关的顺式作用元件。家族成员在胡萝卜不同发育阶段根部呈现特异性表达，部分基因（如DcTCP33和DcTCP37）在肉质根整个发育过程中持续高表达，暗示其在肉质根形成与膨大中发挥关键调控作用。本研究阐明了胡萝卜TCP家族的基本特征与调控机制，为后续利用TCP基因改良胡萝卜品质与抗逆性提供了重要理论基础和基因资源。
引言
胡萝卜作为一种在全球广泛栽培的伞形科根茎类蔬菜，具有重要的营养和经济价值，其可食用的膨大肉质根是其主要的营养贮藏器官。TCP（Teosinte branched1/Cycloidea/Proliferating cell factor）是一个植物特有的转录因子家族，其成员含有一个非典型的碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）结构域，在调控植物生长发育及响应逆境胁迫中扮演着至关重要的角色。然而，相较于拟南芥和水稻等模式植物，在胡萝卜等根茎类作物中，关于TCP基因家族的系统性研究尚属有限。因此，本研究旨在利用生物信息学手段，对胡萝卜TCP基因家族进行全面鉴定和深入分析，以期揭示其在胡萝卜肉质根发育及环境适应中的潜在功能，为胡萝卜的遗传改良提供新的基因靶点。
胡萝卜TCP基因家族的鉴定与分类
研究团队通过生物信息学方法，从胡萝卜全基因组中成功鉴定出50个TCP基因家族成员，并依据它们在染色体上的位置依次命名为DcTCP1至DcTCP50。对这50个DcTCP基因编码的蛋白质理化性质分析显示，其氨基酸长度在55至496个之间，分子量范围从6，056到53，512.5 Da，平均约为28，857.83 Da。理论等电点（pI）介于4.73至9.8之间。绝大多数蛋白质（90%）的不稳定指数大于40，被归类为不稳定蛋白。所有DcTCP蛋白的亲水性平均值（GRAVY）均小于0，表明它们是亲水性的。亚细胞定位预测结果显示，所有50个DcTCP家族成员均定位于细胞核。
染色体定位与共线性分析
染色体定位分析表明，这50个DcTCP基因不均匀地分布在胡萝卜的9条染色体上。其中，1号染色体上的DcTCP基因数量最多，达到16个，而5号和9号染色体上最少，各仅有2个。家族扩张机制分析揭示了22对串联重复基因和8对片段重复基因，且所有片段重复基因对的非同义替换率与同义替换率之比（Ka/Ks）均小于1，表明它们经历了纯化选择。全基因组重复（WGD）是驱动胡萝卜TCP家族扩张的主要动力。
通过比较胡萝卜与拟南芥和水稻的TCP基因共线性关系发现，胡萝卜与拟南芥存在29对共线性基因，而胡萝卜与水稻之间仅发现4对共线性基因，这表明胡萝卜TCP基因与拟南芥的同源性更高。
系统发育、基因结构与蛋白结构域分析
为了探究胡萝卜TCP基因的系统发育关系，研究者构建了包含胡萝卜、芹菜和拟南芥TCP蛋白序列的系统进化树。根据序列差异，TCP基因被分为三个亚家族：PCF、CIN和CYC/TB1。其中，PCF亚家族的成员数量最多，在胡萝卜中拥有36个成员，占家族总数的72%，CYC/TB1亚家族的成员数最少。
基因结构分析显示，绝大多数DcTCP基因（47个）只含有一个外显子，只有DcTCP11含有三个外显子，DcTCP45含有两个外显子，且所有基因均不含内含子，这表明DcTCP基因具有相对简单的结构。保守基序（motif）分析共鉴定出10个保守基序，其中基序1分布最广，在除DcTCP9和DcTCP13之外的所有48个DcTCP蛋白中都存在，这与TCP结构域的序列高度相似，证实了这些基因作为TCP家族成员的身份。
启动子顺式作用元件与GO功能分析
对DcTCP基因启动子区域（起始密码子上游2000 bp）的分析，揭示出丰富的顺式作用元件。这些元件可大致分为四类：激素响应元件（如CGTCA-motif、ABRE等）、光响应元件（如G-box、I-box等）、生长发育调控元件（如CAT-box、CCAAT-box等）以及胁迫响应元件（如LTR、MBS等）。值得注意的是，胡萝卜PCF亚家族成员的启动子中含有所有预测的顺式作用元件类型，而CYC/TB1亚家族启动子中则缺失了GCN4-motif等元件，这暗示PCF亚家族可能具有更广泛的调控功能。
基因本体（GO）功能富集分析进一步明确了DcTCPs参与广泛的生物学过程，包括调控分支结构形态发生、次生芽形成和花序发育等，其主要分子功能涉及结合活性和转录因子活性等。
互作网络分析：蛋白质与miRNA调控
蛋白质-蛋白质互作（PPI）网络预测显示，胡萝卜中28个DcTCP蛋白能够与其他蛋白形成总计214对互作关系，其中DcTCP4、DcTCP3、DcTCP14和DcTCP10等蛋白的互作伙伴数量较多，表明它们可能通过招募或互作更多靶蛋白参与多样的生物学调控。
在转录后调控层面，研究预测了12个与DcTCP基因存在靶向关系的microRNAs（miRNAs）。其中，miR319靶向的DcTCP基因数量最多，达到7个（包括DcTCP4、DcTCP5等），其次为miR172，靶向6个基因。绝大多数预测的miRNA通过切割其靶mRNA发挥作用，而miR402是唯一被预测通过抑制翻译来发挥调控作用的miRNA。这揭示了TCP基因表达受到miRNA网络的精细调控。
胡萝卜根部不同发育阶段的表达模式分析
通过分析胡萝卜根部不同发育时期（30天、60天、95天）的转录组数据，研究者探究了DcTCP基因的表达动态。结果显示，DcTCP基因在胡萝卜发育阶段广泛表达，但呈现显著差异。其中，DcTCP33、DcTCP37和DcTCP47在根部整个发育阶段均保持相对较高的表达水平。而DcTCP39和DcTCP48的表达水平则在整个发育阶段都较低。另一部分基因，如DcTCP4、DcTCP7、DcTCP10、DcTCP11、DcTCP15等，其表达水平随着发育阶段的推进而逐渐升高。
RT-qPCR对部分候选基因（如DcTCP4、DcTCP28等）的验证结果与转录组数据一致，进一步证实了这些DcTCP基因在胡萝卜根部发育过程中的动态表达模式，提示它们可能深度参与了肉质根的形成与发育调控。
结论与展望
本研究首次在胡萝卜全基因组范围内系统鉴定了50个TCP转录因子家族成员，并对其进行了全面的生物信息学分析。研究发现，胡萝卜TCP家族主要由PCF亚家族主导，其成员具有结构简单、定位于细胞核、启动子富含多种响应元件等特点。家族扩张主要受全基因组重复事件驱动。表达谱分析揭示了DcTCP基因在胡萝卜肉质根发育关键时期的特异性表达模式，其中部分基因（如DcTCP33和DcTCP37）的持续高表达，以及另一些基因（如DcTCP4和DcTCP10）的表达量随发育进程递增，强烈暗示了TCP转录因子在调控胡萝卜肉质根细胞膨大、营养积累及形态建成中的核心作用。此外，研究还预测了复杂的miRNA调控网络和蛋白质互作网络，为理解TCP基因的精细调控机制提供了线索。综上所述，本研究不仅丰富了植物TCP基因家族的研究内容，阐明了胡萝卜TCP家族的基本特征与潜在调控机制，而且为后续深入解析胡萝卜生长发育规律，以及培育抗逆、优质胡萝卜新品种提供了重要的理论依据和宝贵的基因资源。
