《International Journal of Molecular Sciences》：Genome-Wide Identification of the BPC Gene Family in Brassica juncea and Expression Analysis of Its Regulatory Mechanisms in Response to Light and Salicylic Acid
Shunlin Wang,
Zewen Lu,
Jiahui Bai,
Yujia Chen,
Yang Yang,
Guoping Shu,
Changgui Yang,
Zengxiang Wu and
Pengfei Li
编辑推荐：
本文全面解析了芥菜（Brassica juncea）中BASIC PENTACYSTEINE (BPC)转录因子家族的基因组特征与表达模式。通过生物信息学方法鉴定出25个BjuBPC基因，揭示了其进化保守性与家族扩张机制。研究进一步证实BjuBPC9、BjuBPC1和BjuBPC24在蓝光和茉莉酸(SA)信号响应中发挥关键作用，为理解BPC家族在多倍体作物发育与环境适应中的分子调控网络提供了重要见解。
芥菜中BPC基因家族的全基因组鉴定与功能解析
1. 引言
多倍化是推动植物物种形成与进化的重要驱动力。与二倍体相比，多倍体通常展现出更强的产量潜力、更佳的环境适应性和更丰富的遗传多样性。芥菜（Brassica juncea, AABB，2n= 36）作为一种重要的异源四倍体油料和蔬菜作物，因其基因组相对较小、遗传背景清晰，成为研究基因家族和作物适应性机制的理想材料。BASIC PENTACYSTEINE (BPC)是一类植物特有的转录因子，在调控植物生长发育及响应非生物胁迫中扮演关键角色。尽管已在拟南芥（Arabidopsis thaliana）、甘蓝型油菜（Brassica napus）和棉花等多个物种中鉴定了BPC基因家族，但其在芥菜中的基因组特征及其对光和茉莉酸信号的响应调控机制尚不清晰。本研究旨在对芥菜BPC基因家族进行全基因组鉴定和系统分析，并探究其在光和茉莉酸处理下的表达模式。
2. 结果
2.1. BPC基因家族在芥菜中的全基因组鉴定与理化性质分析
以拟南芥的7个BPC蛋白序列为探针，通过同源比对和保守结构域验证，从芥菜基因组中共鉴定出25个BPC基因家族成员，命名为BjuBPC1至BjuBPC25。理化性质分析显示，这些蛋白的氨基酸长度在226至599之间，分子量介于25.09至68.82 kDa，理论等电点(pI)介于8.76至10.12，均呈碱性。其中23个成员为不稳定蛋白，仅BjuBPC5和BjuBPC14被预测为稳定。所有BjuBPC蛋白均具有亲水性。亚细胞定位预测表明，所有蛋白均定位于细胞核，结合其含有保守的GAGA DNA结合结构域（Pfam ID: PF06217），支持它们作为转录因子发挥功能。
2.2. BjuBPC基因家族的染色体定位与共线性分析
染色体分布图显示，25个BjuBPC基因不均匀地分布在芥菜的14条染色体上。染色体AA_Chr09上基因数量最多（4个），而AA_Chr01、AA_Chr02等7条染色体上各仅有1个基因。种内共线性分析显示，所有共线性的BjuBPC基因对都位于不同染色体上，未发现串联重复，表明该家族的扩张主要源于全基因组复制或大规模片段复制事件。这些复制基因对的非同义替换率(Ka)与同义替换率(Ks)比值（Ka/Ks）均在0.048至0.298之间，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。与拟南芥、白菜和黑芥的种间共线性分析进一步揭示了BPC基因在十字花科进化过程中的高度保守性。
2.3. BjuBPC基因家族的系统发育分析
基于拟南芥和芥菜BPC蛋白序列构建的系统发育树显示，BjuBPC基因与其拟南芥同源物的聚类模式高度一致。整个家族被分为三个明显的分支：Group A、Group B和Group C。Group A包含8个BjuBPC基因和3个AtBPC基因；Group B包含15个BjuBPC基因和3个AtBPC基因；Group C包含2个BjuBPC基因和1个AtBPC基因。值得注意的是，在芥菜基因组中未发现与拟南芥AtBPC5直系同源的基因，暗示该谱系可能在芥菜进化过程中丢失，或序列发生了高度分化。
2.4. BjuBPC基因家族的基因结构与保守基序分析
结构域分析确认所有25个BjuBPC蛋白均包含保守的GAGA DNA结合结构域，部分成员如BjuBPC21还含有额外的SMC结构域。保守基序分析鉴定了10个具有统计学意义的基序（Motif 1-10）。Motif 1、2和5存在于所有BjuBPC蛋白中，而Motif 6、7和8为Group A成员特有，Motif 3和10为Group B成员特有，表明这些亚组特异性基序与蛋白质结构组织和功能特异性密切相关。基因结构分析显示，10个BjuBPC基因无内含子（内含子缺失），其余15个基因含有1-4个内含子。其中，Group C所有成员均为内含子缺失型；Group A中除BjuBPC2和BjuBPC21外均为内含子缺失；Group B中除BjuBPC6和BjuBPC17外均含有内含子，这种结构分化模式与系统发育分类紧密相关。
2.5. BjuBPC基因家族的顺式作用元件分析
对25个成员起始密码子上游2000 bp启动子区的分析发现，每个BjuBPC启动子都富集了多种顺式作用元件，主要分为三类：1）非生物胁迫响应元件（如低温诱导、厌氧诱导）；2）激素响应元件（如脱落酸(ABA)、赤霉素、生长素、茉莉酸甲酯(MeJA)、茉莉酸(SA)）；3）发育与代谢相关元件（如光响应、昼夜节律调控、种子贮藏蛋白调控、细胞周期调控等）。光响应元件在所有BjuBPC启动子中普遍存在且丰度最高，表明该家族的表达普遍受光信号调控。部分基因的启动子含有与栅栏组织细胞分化、细胞周期调控、玉米蛋白代谢调控、损伤响应、昼夜节律控制等相关的特异元件，凸显了BjuBPC家族成员功能的多样性。
2.6. BjuBPC基因家族的组织特异性表达谱
基于BjuIR数据库中16个组织的转录组数据，通过层次聚类将25个BjuBPC基因的表达模式分为四组：1）生殖阶段特异性基因：如BjuBPC7、BjuBPC9、BjuBPC10、BjuBPC11、BjuBPC15、BjuBPC18和BjuBPC25，在胚珠、胚胎、种子和花等生殖组织中表达量最高，暗示其在生殖发育和种子成熟中的特殊作用；2）营养生长和基础代谢相关基因：如BjuBPC1、BjuBPC4、BjuBPC5、BjuBPC12、BjuBPC13等，在根、茎、叶等营养组织中组成型高表达，可能参与基本的细胞过程；3）花器官特异性基因：如BjuBPC3、BjuBPC20、BjuBPC21和BjuBPC24，特异性地富集在花、花蕾和蜜腺等花器官中，提示其在花发育或传粉过程中的功能；4）低表达或条件激活基因：如BjuBPC2、BjuBPC16和BjuBPC20，在所有检测组织中表达量极低，可能是假基因、功能冗余的旁系同源基因，或在特定条件下才被激活。
2.7. 不同光质和茉莉酸处理下BjuBPC基因的表达分析
选择属于不同亚组的三个代表性基因BjuBPC1、BjuBPC9和BjuBPC24，研究了其在紫外A(UV-A)、紫外B(UV-B)、红光、蓝光四种光质及外源茉莉酸(SA)处理下的表达变化。结果显示，三个基因均对光质处理表现出显著响应，但对SA的响应存在差异：BjuBPC1缺乏SA响应元件，其表达在SA处理后无显著变化；BjuBPC9和BjuBPC24虽含有SA响应元件，但仅BjuBPC9被SA显著诱导。具体而言，UV-A、红光和蓝光均能显著上调这三个基因的表达，其中BjuBPC9对蓝光的响应最为强烈，表达量激增至对照的228.26倍，表明它可能是蓝光信号通路的关键节点。相反，UV-B处理显著抑制了BjuBPC1和BjuBPC9的表达。这一系列结果证实了光响应顺式作用元件的功能相关性，并揭示了BjuBPC基因在整合光信号和激素信号以调控生长发育方面的重要潜力。
3. 讨论
本研究首次在异源四倍体作物芥菜中对BPC基因家族进行了全基因组鉴定与综合分析。鉴定的25个BjuBPC基因在染色体上不均匀分布，其家族扩张主要由全基因组复制事件驱动，并受到强烈的纯化选择。系统发育分析揭示了其在十字花科中的保守进化模式，且未发现拟南芥AtBPC5在芥菜中的同源物。启动子分析表明，BjuBPC基因广泛参与光信号、激素响应及多种发育进程的调控。组织表达谱揭示了其功能的显著分化，部分基因特异性地在生殖或营养组织中表达。更重要的是，表达分析证实了BjuBPC1、BjuBPC9和BjuBPC24对特定光质（尤其是蓝光）的强烈响应，以及BjuBPC9对茉莉酸信号的响应，表明这些基因可能在整合环境信号（光）与内源激素信号以调控芥菜生长发育和逆境适应中发挥核心作用。这项工作填补了芥菜BPC家族功能基因组学的空白，为深入解析多倍体作物中转录因子调控网络及分子育种提供了重要理论基础。
4. 材料与方法
本研究使用一个自交不亲和芥菜品系作为实验材料。通过生物信息学方法，利用拟南芥BPC蛋白序列和GAGA结构域隐马尔可夫模型(HMM)对芥菜基因组进行检索，鉴定出BjuBPC基因。使用TBtools-II进行染色体定位、共线性和Ka/Ks分析。通过MEGA12构建系统发育树。利用MEME Suite和PlantCARE数据库分别进行保守基序和顺式作用元件预测。组织表达数据来自BjuIR数据库。对于光和激素处理实验，在六叶一心期对幼苗进行不同光质（UV-A、UV-B、红光、蓝光）处理7天，或喷施0.5 μmol/L茉莉酸溶液处理6小时，之后采集叶片样本。总RNA提取后，使用qRT-PCR分析目标基因的表达量，以GAPDH作为内参基因，采用2-ΔΔCt法计算相对表达量。
