《Biology》：The ATP Binding Cassette (ABC) Transporter Gene Family in Lotus (Nelumbo Adans.): Genome-Wide Survey, Characterization and Gene Expression Profile
Yumeng Zhao,
Lijie Cui,
Qingqing Liu,
Jingjing Huo,
Houchen Zhang,
Dasheng Zhang and
Hong Zhang
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推荐：本研究首次在莲（Nelumbo）基因组中系统鉴定了122个ATP结合盒（ATP-binding cassette, ABC）转运蛋白基因，并发现其中NnABCG25是雄蕊特异性表达蛋白。通过比较转录组、分子对接等分析，揭示了NnABCG25与番茄红素、β-胡萝卜素等类胡萝卜素的稳定结合亲和力，为阐明其在雄蕊类胡萝卜素转运和积累中的作用提供了关键线索，拓展了对植物ABC转运蛋白功能及类胡萝卜素运输机制的理解。
莲（Nelumbo）作为重要的水生植物，兼具观赏、食用和药用价值，其活性成分多为次级代谢产物。ABC（ATP-binding cassette）转运蛋白是植物中最大的跨膜转运蛋白家族之一，在次级代谢产物的转运和积累中扮演关键角色。然而，在莲中，ABC转运蛋白的功能研究尚属空白。本研究对莲ABC转运蛋白（NnABC）基因家族进行了首次全基因组分析，鉴定出122个NnABC成员，并对其进行了全面的生物信息学分析，包括理化性质、系统发育、基因结构、保守基序和进化选择压力。
通过系统发育分析，122个NnABC转运蛋白被分为A到I八个亚家族，其中ABCG亚家族成员最多，达55个，占总数的45%，ABCB亚家族有25个成员。Ka/Ks比值分析表明，莲ABC转运蛋白基因家族的进化主要受纯化选择驱动。在基因结构和保守基序方面，分析发现NnABCA1基因包含最多的外显子（33个），而ABCG亚家族中存在无内含子的序列结构。保守基序分析识别出15个基序，其中基序8、14、15为G亚家族的全长转运蛋白所特有，而基序1和2则在所有八个亚家族的大多数成员中广泛分布，这突显了NnABC家族的结构多样性。
本研究利用一个具有橙红色雄蕊的突变品种‘印度之蜜’（‘Yindu Zhimi’）和一个具有淡黄色雄蕊的品种‘微山红’（‘Weishan Hong’）作为研究材料。对两者长约9毫米的雄蕊进行转录组比较分析，鉴定出6635个差异表达基因（DEGs）。KEGG通路富集分析显示，差异表达基因在ABC转运蛋白（ABC transporters）通路中显著富集。表达热图分析表明，在橙红色雄蕊中，NnABCG25和NnABCG11-1的表达水平不仅显著上调，而且在所有检测到的NnABC基因中表达量最高。通过逆转录定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）验证，NnABCG25在雄蕊中特异高表达，而在根、茎、花瓣、雌蕊和花托中表达量极低，表明它是一个雄蕊特异性基因。相反，NnABCG11-1在花瓣中的表达量显著高于雄蕊。这提示NnABCG25可能在‘印度之蜜’雄蕊颜色转变过程中发挥重要作用。
共表达分析进一步揭示，NnABCG25与类胡萝卜素生物合成途径的关键酶基因，如DXS、PSY、ZDS、CIS等呈现高度正相关，而与类胡萝卜素分解代谢的羟化酶基因BCH2呈现强负相关。这暗示NnABCG25可能与类胡萝卜素的生物合成过程相关联。为了探究NnABCG25是否直接结合类胡萝卜素，研究进行了分子对接分析。结果显示，NnABCG25与β-阿朴-胡萝卜醛（β-apocarotenal）、番茄红素（lycopene）和β-胡萝卜素（β-carotene）均表现出较强的结合能力，结合自由能（ΔG）分别为-8.487 kcal/mol、-8.8 kcal/mol和-9.426 kcal/mol，其中与β-胡萝卜素的结合最为稳定。
综合上述分析，研究初步推测NnABCG25可能在‘印度之蜜’雄蕊从黄色向橙红色转变的关键发育阶段，介导类胡萝卜素或其代谢中间体从生物合成位点向花粉表面储存沉积区的转运。这一功能预测与ABCG转运蛋白介导亲脂性物质跨膜转运的已知功能相符。尽管其同源蛋白拟南芥AtABCG25特异转运脱落酸（ABA），但本研究揭示了NnABCG25在莲中可能发生了功能分化，转而与类胡萝卜素转运和雄蕊着色相关，这体现了物种特异性的功能进化。
总之，本研究完成了对莲ABC转运蛋白基因家族的系统鉴定与多组学分析，鉴定出雄蕊特异性表达的NnABCG25，并通过生物信息学与分子模拟预测了其作为类胡萝卜素转运蛋白的潜力，为深入解析植物ABC转运蛋白，特别是ABCG亚家族成员在类胡萝卜素转运和积累中的功能提供了新的研究思路和候选基因。未来的工作将通过体外转运实验、异源表达或利用莲的遗传转化系统进行CRISPR基因编辑，进一步验证NnABCG25与类胡萝卜素的结合与转运关系。
