《Journal of Plant Physiology》：Genome-wide identification and functional characterization of Isopentenyl Transferase (IPT) genes in mulberry (Morus spp.): Insights into evolutionary diversification and drought-responsive hormonal regulation
编辑推荐：
猕猴桃IPT基因家族研究鉴定出M. notabilis和M. alba各6个、M. indica 7个IPT基因，分为腺苷酸型（Ad-IPTs）和tRNA型（tRNA-IPTs），前者无内含子且组织特异性表达，后者含多内含子且表达稳定，共同调控细胞分裂和抗逆反应。
Chanchal Singhal|Arun Kumar Sharma|Paramjit Khurana
德里大学南校区植物分子生物学系，贝尼托·华雷斯路，新德里 – 110021，印度
摘要 细胞分裂素（CKs）在植物中调控着众多发育和适应过程，其生物合成由异戊烯基转移酶（IPTs）启动，这些酶催化了第一步且是限速步骤。尽管IPTs对细胞分裂素的生物合成至关重要，但在Morus 物种中的研究仍然不足。本文对Morus notabilis 、Morus alba 和Morus indica cv. K2中的< />基因家族进行了全基因组鉴定和比较分析。在M. notabilis 和M. alba 中发现了6个< />位点，而在M. indica 中发现了7个。系统发育重建和结构分析将它们分为腺苷酸型IPTs（Ad-IPTs）和tRNA衍生的IPTs（tRNA-IPTs）。Ad-IPTs没有内含子，表现出组织特异性表达；而tRNA-IPTs含有多个内含子，表现出持续转录，反映了不同的进化轨迹。表达谱分析显示，细胞分裂素和生长素能强烈诱导Ad-IPTs的表达，在干旱条件下其表达显著上调；而tRNA-IPTs则受到转录抑制，这表明在环境压力下它们在细胞分裂素稳态中具有不同的功能作用。亚细胞定位实验表明MiIPT1与带有CFP标签的质体标记物共定位，证实了其质体定位。总体而言，这些发现首次全面描述了桑树中的IPTs，揭示了其谱系特异性差异和应激响应调控机制，并为提高多年生作物的生长和抗旱性提供了有前景的遗传靶点。
引言 细胞分裂素（CKs）是一类由腺嘌呤衍生的可移动植物激素，对植物的生长、发育和形态发生具有深远影响。它们的生物合成和信号传导受到环境信号的精细调节，协调代谢和结构适应（Hirose等人，2008年）。CKs控制多种生理过程，包括茎-根模式形成、细胞增殖、叶绿体生物发生、维管分化、叶片衰老、芽的启动以及配子体和胚胎发生（Kieber和Schaller，2014年）。它们还调节叶序、顶端优势、生物量分配和营养信号传导（Hirose等人，2008年），同时与其他激素和信号通路相互作用以维持细胞稳态和应激适应（Argueso和Kieber，2024年）。CKs在多种生物中合成，包括细菌、真菌、藻类以及高等植物，例如引起冠瘿的Agrobacterium tumefaciens 、蓝细菌Nostoc 和黏菌Dictyostelium discoideum （Nishii等人，2018年）。
异戊二烯类细胞分裂素（CK）的生物合成通过多步骤途径进行，首先将异戊二烯基团转移到腺嘌呤上，无论是以核苷酸衍生物的形式还是与tRNA结合（Frébort等人，2011年）。关键的异戊二烯侧链供体是二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）和(E)-4-羟基-3-甲基-丁-2-烯基二磷酸（HMBDP）（Krall等人，2002年；Sakakibara等人，2005年）。植物中CK合成的第一步由异戊烯基转移酶（IPT ）催化，该酶也催化了第一步且是限速步骤。IPTs被分为腺苷酸磷酸IPTs（Ad-IPTs），产生反式 -Zeatin（tZ）型CKs，以及tRNA IPTs，生成顺式 -Zeatin（cZ）型CKs。Ad-IPTs没有内含子，表现出组织特异性表达；而tRNA-IPTs含有多个内含子，表现出持续转录，反映了不同的进化路径。表达谱分析显示，细胞分裂素和生长素能强烈诱导Ad-IPTs的表达，在干旱条件下其表达显著上调；而tRNA-IPTs则受到转录抑制，表明在环境压力下它们在细胞分裂素稳态中具有不同的功能作用。亚细胞定位实验表明MiIPT1与带有CFP标签的质体标记物共定位，证实了其质体定位。这些发现首次全面描述了桑树中的IPTs，揭示了其谱系特异性差异和应激响应调控机制，并为提高多年生作物的生长和抗旱性提供了有前景的遗传靶点。
介绍 细胞分裂素（CKs）是一类由腺嘌呤衍生的可移动植物激素，对植物的生长、发育和形态发生具有深远影响。它们的生物合成和信号传导受到环境信号的精细调节，协调代谢和结构适应（Hirose等人，2008年）。CKs控制多种生理过程，包括茎-根模式形成、细胞增殖、叶绿体生物发生、维管分化、叶片衰老、芽的启动以及配子体和胚胎发生（Kieber和Schaller，2014年）。它们还调节叶序、顶端优势、生物量分配和营养信号传导（Hirose等人，2008年），同时与其他激素和信号通路相互作用以维持细胞稳态和应激适应（Argueso和Kieber，2024年）。CKs在多种生物中合成，包括细菌、真菌、藻类以及高等植物，例如引起冠瘿的Agrobacterium tumefaciens 、蓝细菌Nostoc 和黏菌Dictyostelium discoideum （Nishii等人，2018年）。
异戊二烯类细胞分裂素（CK）的生物合成通过多步骤途径进行，首先将异戊二烯基团转移到腺嘌呤上，无论是以核苷酸衍生物的形式还是与tRNA结合（Frébort等人，2011年）。关键的异戊二烯侧链供体是二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）和(E)-4-羟基-3-甲基-丁-2-烯基二磷酸（HMBDP）（Krall等人，2002年；Sakakibara等人，2005年）。植物中CK合成的第一步由异戊烯基转移酶（IPT ）催化，该酶也催化了第一步且是限速步骤。IPTs被分为腺苷酸磷酸IPTs（Ad-IPTs），产生反式 -Zeatin（tZ）型CKs，以及tRNA IPTs，生成顺式 -Zeatin（cZ）型CKs。在被子植物中广泛研究了IPTs，例如Oryza sativa中有10个IPTs（Ghosh等人，2018年；Yadav等人，2024年），Zea mays中有11个（Brugière等人，2008年），双子叶植物如Arabidopsis thaliana中有9个（Ghosh等人，2018年），Medicago truncatula中有23个（Azarakhsh等人，2018年），Brassica rapa中有13个（Liu等人，2013年），Glycine max中有14个（Le等人，2012年）等（Wang等人，2020a）。
桑树（Morus属）属于桑科，是落叶乔木或灌木，全球广泛种植，尤其是在欧洲、美洲和东南亚。作为蚕的唯一食物来源，桑叶是丝绸生产和养蚕业可持续性的基础。然而，干旱、盐碱、碱度和极端温度等环境因素严重影响了桑叶的产量和质量（Vijayan等人，2011年；Sarkar等人，2017年）。此外，桑树容易受到多种病原体的侵袭，包括真菌、细菌、病毒和昆虫害虫（Das等人，2011年；Gai等人，2018年；Mohan等人，2020年）。为了提高抗逆性，目前的研究结合了自然变异和转基因技术来培育耐逆品种。鉴于< /> 基因在调节CK生物合成和应激适应中的关键作用，本研究探讨了它们在Morus中的分子基础。我们分析了M. alba、M. notabilis和M. indica cv. K2，选择这些品种是因为它们有可用的基因组序列（Jiao等人，2020年；Jain等人，2022年；Ma等人，2023年）。本研究对IPT基因家族进行了全基因组鉴定和生物信息学分析，包括基因结构、保守基序、蛋白质特性、染色体定位、系统发育和共线性。此外，还通过qPCR分析了M. indica cv. K2在激素和干旱条件下的亚细胞定位和表达谱，阐明了它们的调控作用。这一全面分析加深了对IPT介导的CK调控的理解，并为提高桑树的抗逆性和生产力提供了分子见解。
部分内容 在Morus物种中鉴定< /> 基因家族 M. alba的基因组序列来自NCBI，相应的GFF文件由西北农业大学（Northwest A & F University）的Yu Jiang教授提供。M. notabilis的基因组、CDS、GFF和蛋白质序列文件来自西南大学Ningjia He团队发布的无间隙参考基因组（BioProject: PRJCA015883）。同样，M. indica cv. K2的基因组、蛋白质和GFF文件从http://tgsbl.jnu.ac.in/MindGP/genome.php 最初，IPT
在Morus物种中鉴定< /> 基因家族 使用综合的HMMER和基于同源性的鉴定策略，在M. notabilis中鉴定出6个IPT基因（MnIPTs），在M. indica cv. K2中鉴定出7个（MiIPTs），在M. alba中鉴定出6个（MaIPTs）。其中，一个基因MiIPT3在注释的M. indica基因和mRNA数据集中缺失，因此需要在基因组水平上进行手动鉴定。该位点随后被整理并赋予了基因ID MiIPT3（Mi27346.1），超出了最初的注释范围
讨论 异戊烯基转移酶（IPT）是CK生物合成中的关键酶，通过维持植物激素稳态来调节植物的生长、发育和应激适应。许多植物物种中都发现了IPT基因，这些基因有助于提高作物产量和理想表型（Nguyen等人，2021年）。在桑树中，由于气候变化导致生长受限，了解IPT的功能对于提高抗逆性至关重要。对多种植物的研究表明，IPT
结论 本研究在M. alba和M. notabilis中鉴定出6个< /> 基因，在M. indica cv K2中鉴定出7个< /> 基因，其中包括一个重复基因。全面的生物信息学分析揭示了它们的基因结构、保守结构域、基序、系统发育和染色体分布。组织特异性表达谱分析显示，Ad-IPTs的表达受到限制，而tRNA-IPTs则普遍表达。< />在6-BA、IAA和干旱条件下表现出显著的转录调控
CRediT作者贡献声明 Paramjit Khurana： 监督、资源管理、项目管理和资金获取。Arun Kumar Sharma： 监督、项目管理。Chanchal Singhal： 撰写初稿、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念化
未引用参考文献 Feng等人，2023b；Krall等人；Nakaminami等人，2009年；Sharma等人，2011年；Vyroubalová等人，2009年；Zhu等人，2012年。
数据可用性 由于本研究中未生成或分析任何数据集，因此不适用数据共享规定。
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 CS感谢CSIR提供的奖学金。本工作得到了DBT 和JC Bose奖学金、印度政府科学与工程研究委员会 的资助。PK还感谢德里大学南校区的中央仪器设施（CIF）提供的共聚焦显微镜和测序设备。
