《Frontiers in Genetics》：Identification of the PFK gene family in Solanum species and expression analysis in the fruitof Solanum lycopersicum
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本文通过泛基因组学方法，首次在12个番茄（Solanum）物种中系统鉴定了156个PFK基因，并综合运用生物信息学、表达谱（RNA-seq/qRT-PCR）和蛋白互作分析，揭示了该基因家族通过片段重复扩张、在强烈纯化选择下演化，其成员在番茄果实发育四个阶段（膨大期、绿熟期、转色期、红熟期）呈现阶段特异性表达模式，其中SolyPFK07和SolyPFPA2是调控糖积累的关键基因。启动子含有丰富的激素与非生物胁迫响应元件。研究表明PFK基因对果实发育、糖代谢及胁迫适应至关重要，为高品质番茄分子育种提供了理论依据与遗传资源。
本研究首次在番茄泛基因组尺度上，对磷果糖激酶（PFK）基因家族进行了系统性鉴定与深入分析。研究团队在12个番茄物种（包括栽培种及其野生近缘种）中共鉴定出156个PFK基因，并对其进行了全面的生物信息学表征。
1. PFK基因的鉴定与基本特征
通过对12个番茄物种的泛基因组数据进行分析，共鉴定出156个PFK基因。这些基因被分为PFK和PFP两个亚家族，其中PFP亚家族可进一步细分为PFP-α和PFP-β。对栽培番茄（S. lycopersicum）的12个PFK基因的理化性质分析显示，其编码的蛋白氨基酸长度在456至617个之间，分子量在50.5 kDa至67.3 kDa之间，等电点（pI）在5.20至8.71之间，所有蛋白均为亲水性蛋白。亚细胞定位预测表明，这些蛋白主要分布于细胞质、叶绿体和细胞骨架中。蛋白质二级结构预测则以α-螺旋和无规卷曲为主。
2. 染色体定位与系统发育分析
染色体定位分析显示，所有番茄PFK基因家族成员分布在7条染色体上，其中4号染色体上的基因数量最多。系统发育分析联合了猕猴桃、苹果、马铃薯、葡萄、玉米、拟南芥和番茄的PFK蛋白序列，将PFK基因清晰地划分为PFK、PFP-α和PFP-β三个进化枝，同一亚家族内的成员具有更近的亲缘关系。
3. 基因结构、保守基序与蛋白结构域
基因结构分析发现，PFK和PFP亚家族成员的外显子数目存在显著差异，PFP亚家族成员通常含有更多外显子。保守基序分析表明，所有PFK蛋白都包含Motif 1和Motif 3，体现了家族的保守性；同时，也发现了亚家族特有的基序，如PFK亚家族特有的Motif 6、8、20，以及PFP亚家族特有的Motif 9、14、16，这反映了功能的分化。蛋白结构域分析共识别出PFK超家族、PLN02251、PLN02564、PLN02884和PLN03028五种结构域，其在不同亚家族中的分布模式各异，为功能特化提供了结构基础。
4. 共线性分析与进化压力
共线性分析在番茄物种内部发现了多个共线性基因对，例如在栽培番茄中发现了SolyPFK02/SolyPFK07、SolyPFPA1/SolyPFPA2和SolyPFPB1/SolyPFPB2三对。所有共线性基因对均位于不同染色体上，表明PFK基因家族的扩张主要源于片段重复事件。非同义替换率（Ka）与同义替换率（Ks）的比值（Ka/Ks）分析显示，所有重复基因对的Ka/Ks值均小于1，表明该基因家族在进化过程中受到了强烈的纯化选择，以维持其关键代谢功能的稳定性。
5. 启动子顺式作用元件分析
对PFK基因启动子区（转录起始位点上游2000 bp）的顺式作用元件扫描，鉴定出大量与光响应、植物生长发育、胁迫响应以及植物激素响应相关的元件。其中，光响应元件（如Box 4, G-box）数量最多。胁迫响应元件主要包括厌氧诱导元件（ARE）、干旱响应元件（MBS）、低温响应元件（LTR）等。激素响应元件中，脱落酸（ABA）和茉莉酸甲酯（MeJA）响应元件的数量尤为突出，暗示PFK基因可能通过ABA和MeJA信号通路参与番茄的非生物胁迫响应。
6. PFK基因的表达模式分析
利用RNA-seq数据对番茄果实四个发育阶段（膨大期EP、绿熟期MG、转色期BP、红熟期RRP）的PFK基因表达谱进行分析。结果显示，不同PFK成员呈现出显著且特异的表达模式。例如，SolyPFPB1在所有阶段均保持高表达，且随果实发育表达量下降。SolyPFK08在两个测试番茄品种的所有发育阶段均呈现持续上调的表达趋势。特别值得注意的是，SolyPFK07和SolyPFPA2显示出与糖积累密切相关的阶段特异性表达模式，被确定为调控糖积累的关键候选基因。通过qRT-PCR对栽培番茄的验证进一步证实了这些表达趋势，并揭示了更多细节，如SolyPFPA2的表达在果实发育过程中持续下降，这可能通过降低糖酵解速率来促进成熟期的糖分积累。
7. 蛋白质-蛋白质相互作用网络
通过STRING数据库预测了番茄PFK蛋白的互作网络。结果显示，PFK蛋白之间（如SolyPFPA1与SolyPFPB1）以及PFK蛋白与其他糖代谢关键酶（如己糖激酶HXK、果糖激酶FRK、果糖-1,6-二磷酸醛缩酶SlFBA1、葡萄糖-6-磷酸异构酶GPI等）之间存在广泛的相互作用。这表明PFK并非独立行使功能，而是嵌入在一个复杂的代谢调控网络中，协同调控番茄的糖代谢与生长发育。
结论
综上所述，本研究首次在番茄泛基因组层面完成了PFK基因家族的全面普查与深度解析。研究明确了该家族通过片段重复扩张、在纯化选择下演化的历史；揭示了成员在果实发育不同阶段具有动态、特异的表达模式，并鉴定出SolyPFK07和SolyPFPA2等关键调控基因；发现了启动子区富含胁迫与激素响应元件，提示其广泛参与生长发育与环境适应。这些发现深化了对番茄果实糖代谢分子基础的理解，为利用野生番茄优异等位变异、通过分子育种手段培育高糖分、高品质的番茄新品种提供了重要的理论框架和候选基因资源。
