《《BMC Genomics》发表高粱PAO基因家族比较基因组学分析成果，解析功能特异性、基因复制及干旱抗性作用，为作物抗旱育种提供关键靶点》

• 编译者： 季雪婧

本研究通过比较基因组学、表达分析和三维结构建模，系统鉴定了高粱中的6个多胺氧化酶（PAO）基因（SbPAO）。研究发现，在干旱胁迫条件下，SbPAO5和SbPAO6特异性上调，与多胺积累和产量稳定性显著相关，为高粱抗逆育种提供了关键靶点。该成果对解析禾本科作物干旱适应机制具有重要意义。 高粱作为耐旱作物，是研究植物干旱适应机制的理想模型。多胺在植物生长发育和胁迫响应中扮演重要角色，而PAO作为降解多胺的关键酶类，可能通过产生H2O2激活下游信号级联反应，调控植物的胁迫适应能力。此前，PAO基因家族在拟南芥、水稻、玉米等物种中已有研究，但在高粱中的基因组组织和功能角色仍不清楚。 为了填补这一空白，研究人员综合利用生物信息学和实验验证方法，从高粱基因组v3.1.1中检索PAO蛋白序列并进行motif分析，利用Swiss-Model进行三维结构建模，通过Plant-mPloc等工具预测亚细胞定位，并采用系统发育和共线性分析揭示进化关系。基于PlantCARE数据库分析启动子顺式作用元件，利用公共转录组数据和qRT-PCR进行表达谱分析，使用高效液相色谱(HPLC)测定多胺含量，以耐旱型品种Dorado和敏感型品种Giza 15为材料，在开花前进行三周干旱处理，分析基因表达与农艺性状的关联。 研究鉴定出的6个SbPAO基因编码的蛋白质包含10个保守motif，其中motif 6为高粱特有，可能参与黄素依赖氧化还原酶活性。蛋白质互作网络分析显示SbPAO蛋白与多胺代谢过程显著相关，特别是精胺和热精胺的分解代谢。所有SbPAO蛋白均具有典型的FAD依赖氧化酶核心结构，其中SbPAO5和SbPAO6展现出最为复杂的三维折叠模式，暗示其可能具有特殊的稳定性或功能特性。系统发育分析将SbPAO分为四个进化枝，与水稻、玉米和拟南芥的PAO蛋白具有相似的分类模式。共线性分析发现SbPAO1和SbPAO2存在片段重复，而SbPAO3、SbPAO4和SbPAO5在6号染色体上成簇分布，表明串联重复事件。 基因定位显示PAO基因分布于4条染色体上。启动子分析发现71个顺式作用元件，包括应激响应元件(STRE、ARE)、激素响应元件(ABRE)和光响应元件等，其中SbPAO5和SbPAO6启动子含有丰富的环境和激素响应元件。组织特异性表达显示SbPAO3和SbPAO4在种子和穗部高表达，SbPAO1在根部特异性表达。胁迫处理表明SbPAO2和SbPAO3在热胁迫和复合胁迫下上调，而SbPAO5在复合胁迫下显著下调。qRT-PCR结果显示，在耐旱基因型Dorado中，SbPAO4、SbPAO5和SbPAO6在叶片和籽粒中受干旱显著诱导表达，而敏感基因型Giza 15中表达变化较小或多呈下调趋势。多胺测定发现Dorado中三种多胺在干旱下均积累，而Giza 15中仅亚精胺(Spd)含量增加。农艺性状分析表明，Dorado的千粒重在干旱下保持稳定，而Giza 15显著降低。 这项研究首次系统解析了高粱PAO基因家族的进化历程、结构分化和功能特异性。研究发现SbPAO基因通过片段重复和串联重复事件扩展，在进化过程中发生功能分化。特别值得注意的是，SbPAO4和SbPAO5具有过氧化物酶体靶向信号(PTS1)，而SbPAO5和SbPAO6的复杂三维结构提示其可能具有特殊功能。