《Plant Science》：Genome-wide identification of
APX gene family in peach and functional characterization of
PpAPX1 in salt tolerance
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在桃基因组中发现8个APX基因，分为四类，具有保守基序和重复结构。顺式元件分析显示与多种胁迫相关。表达谱显示多数基因在盐胁迫下上调，尤其是PpAPX1。过表达PpAPX1在拟南芥中显著提高耐盐性，降低MDA和H2O2水平，增强抗氧化酶活性。为桃耐盐遗传改良提供基础
侯小金|张萌|孙金元|刘灿|王宝全|刘克帅|丁铁宇
河南科技大学园艺与景观建筑学院，新乡453003，中国
摘要
抗坏血酸过氧化物酶（APX）是一种重要的抗氧化酶，在控制过氧化氢水平和信号转导途径中起着关键作用，对植物发育和抵御非生物胁迫至关重要。桃树作为一种重要的经济果树，在全球广泛种植，但其APX基因家族的研究仍相对不足。本研究通过生物信息学方法在桃树基因组中鉴定了8个PpAPX基因，系统发育分析表明这些基因可分为4个支系，每个支系具有保守的基序和相似的基因结构。染色体定位分析显示PpAPX基因分布在4条染色体上，基因组中存在一对串联重复基因（PpAPX3a/PpAPX3c）和两对片段重复基因（PpAPX1/PpAPX2和PpAPX3c/PpAPX3b）。顺式作用元件的分析发现，这些基因主要与激素、干旱、低温以及植物生长发育相关。表达谱分析显示，大多数PpAPX基因在盐胁迫下表达上调，其中PpAPX1的表达稳定性较高且一致性较好。功能研究表明，在拟南芥中过表达PpAPX1显著促进了盐胁迫下的种子萌发并增加了根长。与野生型植物相比，转基因拟南芥和‘ZaoJiubao’桃树愈伤组织中过表达PpAPX1后，MDA和H?O?的水平降低，而APX、SOD和CAT的活性显著增强。这些结果表明，过表达PpAPX1显著提高了盐胁迫耐受性，为探索APX在桃树抗盐胁迫中的功能作用奠定了基础。
引言
近年来，环境复杂性的增加使得植物在生长和发育过程中面临多种非生物胁迫，包括干旱、盐碱、寒冷和高温。这些胁迫直接或间接导致作物产量下降、品质严重下降，在极端情况下甚至会导致植物死亡（Dietz等人，2021；Ding和Yang，2022；Raza等人，2020）。作为最严重的非生物胁迫之一，盐胁迫对21世纪的全球农业发展构成了重大挑战，中国盐碱化土地面积已达9900万公顷（Chele等人，2021；Zhou等人，2024）。在盐胁迫下，植物会产生大量的活性氧（ROS）（Mittler等人，2022），其产生量取决于组织类型、发育阶段和外部因素（Wang等人，2024b）。ROS主要包括超氧阴离子（O2?）、H?O?、羟基自由基（OH•）和单线态氧（1O?），它们通过氧化还原反应生成（Nadarajah，2020），并在生长与发育过程、细胞周期调控、程序性细胞死亡和信号传导等多种生命活动中发挥重要作用（Sabagh等人，2021）。其中，ROS信号在胁迫响应中的作用最为显著。
尽管ROS对胁迫信号传导至关重要，但其过量产生会损害核酸、脂质和蛋白质，进一步影响细胞功能，最终导致植物死亡（Mittler等人，2022）。因此，通过调节ROS的产生和清除途径来维持其平衡对于正常的细胞信号传导至关重要（Wang等人，2024b）。ROS的主要清除系统包括抗坏血酸过氧化物酶（APX）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）（Li，2023）。
APX蛋白（EC 1.11.1.11）是一类含血红素的过氧化物酶，参与抗坏血酸（ASA）-谷胱甘肽（GSH）循环，利用ASA作为电子供体将H?O?转化为O?和H?O，从而通过清除ROS维持细胞氧化还原平衡（Wang等人，1999）。最初在菠菜的叶绿体中发现了APX蛋白，随后在细胞质、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体中也发现了APX蛋白（Mishra等人，2023）。例如，在拟南芥中鉴定了8个APX基因，分布如下：3个位于细胞质（AtAPX1、AtAPX2和AtAPX6），3个位于过氧化物酶体（AtAPX3、AtAPX4和AtAPX5），2个位于叶绿体（sAPX同时存在于线粒体和叶绿体中，tAPX位于类囊体膜上）（Panchuk等人，2002；Panchuk等人，2005）。迄今为止，已在许多具有商业价值的植物物种中广泛鉴定出APX基因，包括苹果中的21个基因（Lv等人，2024）、大麻中的8个基因（Liang等人，2024）、柑橘中的7个基因（Zhang等人，2023）、禾本科植物中的238个基因（Jardim-Messeder等人，2023）、番茄中的7个基因（Najami等人，2008）、辣椒中的9个基因（Pang等人，2023）、甜椒中的6个基因（González-Gordo等人，2022）、栽培大豆中的11个基因、野生大豆中的10个基因（Aleem等人，2022）、水稻中的8个基因（Teixeira等人，2006）、甜瓜中的28个基因（Song等人，2023）、花生中的166个基因（Raza等人，2022）、油菜中的26个基因（Pan等人，2022）、冬油菜中的118个基因（Ma等人，2022）以及毛果杨中的11个基因（Li等人，2022）。
先前的研究表明，APX基因的表达对盐胁迫具有响应性。例如，在大肠杆菌中过表达橡胶树的HbAPX基因可提高其对H?O?和Na?胁迫的耐受性（Chao等人，2015）；表达来自枸杞的LmAPX的转基因烟草表现出较低的ROS积累和增强的盐胁迫耐受性（Wu等人，2014）。在麻疯树中，JctAPX蛋白定位于叶绿体，qPCR结果显示JctAPX在多种组织中表达，并在盐胁迫下上调。转化植株中叶绿体中的JctAPX活性通过增强ROS清除能力提高了短期盐胁迫下的耐盐性（Liu等人，2014）。双基因沉默Apx1/2的水稻植株没有出现发育缺陷，而单基因敲低则导致半矮化表型。此外，过表达OsAPX2可提高植物对盐、干旱等条件的耐受性（Guan等人，2012；Rosa等人，2010）。总之，这些发现表明APX基因在植物胁迫响应和生长调节中起着关键作用。
桃树（Prunus persica L.）是一种重要的经济果树，在温带和亚热带地区广泛种植。然而，作为一种盐敏感物种，桃树在盐胁迫下会遭受严重的生长抑制、果实产量下降和品质降低（Gao等人，2025）。盐胁迫会引发植物体内ROS的过量积累，导致脂质膜损伤、程序性细胞死亡甚至植株死亡，从而影响果农的经济收益。APX是一种重要的抗氧化酶，用于清除ROS，已在许多物种的基因组中鉴定出APX基因。然而，关于桃树中APX成员的详细信息、表达模式及其功能仍不清楚。本研究旨在鉴定桃树中的APX基因，并利用生物信息学方法分析其进化关系、基因结构、染色体定位和共线性。此外，还研究了PpAPX启动子中的顺式作用调控元件，并分析了不同组织和盐胁迫条件下PpAPX的表达模式。同时，我们也探讨了盐胁迫下PpAPX1的过表达作用。这项研究将为了解PpAPX在盐胁迫响应中的功能作用提供依据，并为桃树的遗传改良策略提供支持。
实验材料与处理
实验于2024年在河南科技大学（中国河南省新乡市）进行。桃树（Prunus davidana）砧木种子保存在实验室中，存储温度为4℃。播种前仔细去除种子的硬外壳，然后在25℃下发芽30天。发芽后的种子转移到混合土壤（泥炭：珍珠岩：蛭石=3:1:1）培养基中，并在受控温室中培养。
桃树中PpAPX基因的鉴定
经过一系列生物信息学分析，共鉴定出8个APX基因，根据与拟南芥AtAPX序列的同源性将其命名为PpAPX1、PpAPX2、PpAPX3a、PpAPX3b、PpAPX3c、PpAPX4、PpAPX6和PpTAPX。PpAPX的相关信息见表1。PpAPX蛋白的长度范围为250至420个氨基酸，理论等电点介于5.37至8.48之间。分子量分析显示PpTAPX是最大的蛋白质（45.434……）
APX基因的鉴定与进化
在盐胁迫下，植物生长和发育过程中产生的ROS会引发细胞损伤。APX是负责清除ROS的关键抗氧化酶之一（Wang等人，2024b）。作为一种重要的经济果树，桃树经常受到盐胁迫的影响。已在多种植物中鉴定出APX基因家族，包括拟南芥中的9个（Rossel等人，2004）、水稻中的8个（Teixeira等人，2006）、猕猴桃中的13个（Liao等人，2020）……
结论
本研究共鉴定出8个PpAPX基因，并利用生物信息学方法分析了它们的理化性质、进化关系、基因结构、染色体定位及其启动子上的顺式作用元件。表达分析显示，PpAPX基因在桃树的各个组织和发育阶段均表达，且大多数基因在盐胁迫下上调。我们发现，在拟南芥和桃树愈伤组织中过表达PpAPX1显著增强了……
资助
本研究得到了国家自然科学基金（32402523）和河南省科技计划（242102111120）的支持。
CRediT作者贡献声明
刘灿：可视化、验证、软件使用、方法学、数据管理。刘克帅：资源获取、数据管理。王宝全：撰写-审稿与编辑、方法学。丁铁宇：撰写-审稿与编辑、项目管理、方法学。侯小金：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学、调查、资金获取、数据分析。孙金元：可视化、验证、软件使用、方法学、数据管理。张萌：撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
我们非常感谢河北农业大学的曹洪波教授提供‘ZJB’桃树愈伤组织。同时，我们也感谢河南科技大学的宝贵技术支持。
作者贡献
XJH和BQW负责研究设计和规划，MZ和JYS进行了生物信息学分析，MZ、JYS和CL负责样品准备、大部分实验的实施及数据分析。
