杨树SDH基因家族的综合分析及SDH4在木质部和形成层发育中的功能表征揭示木材形成新机制

本研究针对木材资源供需矛盾及传统育种周期长、改良难度大的问题，系统开展了杨树琥珀酸脱氢酶(SDH)基因家族的功能解析。研究人员通过同源搜索、系统发育和表达分析鉴定出12个PtrSDH基因，发现PtrSDH1和PtrSDH4在形成层和木质部高表达；进一步通过PagSDH4过表达转基因实验证实其能显著促进植株生长、增加木质部宽度和茎秆直径，揭示了SDH4通过调控能量代谢促进次生生长的分子机制，为林木遗传改良提供了新靶点。

　　

随着全球木材需求日益增长，培育优质森林资源成为平衡供需的关键。然而，传统育种存在周期长、木材性状改良困难等瓶颈。分子育种技术虽在桉树、杨树等物种中取得进展，但对木材形成核心调控基因的认识仍不完善。木材源于维管形成层的活动，经历细胞分裂、伸长、次生壁形成、木质化和程序性死亡等复杂过程，其分子调控网络涉及多基因协同作用。值得注意的是，次生生长和维管发育不仅是木本植物的特性，拟南芥等草本植物也具备类似机制，成为研究形成层活动和次生组织形成的模型。在植物中，琥珀酸脱氢酶(SDH)作为三羧酸循环(TCA循环)和电子传递链的关键酶，不仅参与能量代谢，还通过活性氧(ROS)调控、光信号应答和激素交互等途径影响发育过程。近年来研究发现，SDH在拟南芥和水稻中参与ROS生成和胁迫响应，其突变体表现出生长增强和二氧化碳同化能力提升，暗示其在代谢适应中的特殊作用。但SDH基因家族在林木维管发育中的功能尚未系统解析。

杂交杨树Populus alba × Populus glandulosa（84K杨）因生长快、易繁殖、基因组小且已完成测序，成为森林基因组学的重要模型。其基因组揭示了来自亲本P. alba和P. glandulosa的两个亚基因组间的转录偏倚，为生长和胁迫响应等关键通路的功能基因表达提供了见解。比较基因组学研究表明，84K杨与毛果杨(P. trichocarpa)等物种存在高度同线性，利于基因簇的保守性分析。CRISPR/Cas9等技术在该杂交杨中的应用证明了其在生物量和环境适应性遗传改良方面的潜力。

为探究SDH基因在杨树维管发育中的作用，研究人员开展了系统研究。主要技术方法包括：基于拟南芥AtSDH序列的同源BLAST搜索鉴定杨树SDH基因；系统发育、基因结构和保守基序分析（使用MEGA5.1、MEME和NCBI-CDD）；理化性质预测（ProtParam、SOPMA、TMHMM）；组织特异性表达分析（利用AspWood数据库和qRT-PCR，以ACTIN为内参）；84K杨遗传转化（农杆菌GV3101介导的PagSDH4过表达）；表型测量和解剖学分析（徒手切片、甲苯胺蓝染色、显微镜观察）；统计检验（t检验，Origin 2022软件）。

Identification and phylogenetic analysis of SDH genes in Poplar

通过拟南芥AtSDH序列同源搜索，在毛果杨、颤杨和胡杨基因组中分别鉴定出12、10和10个SDH同源基因。毛果杨的12个PtrSDH基因（PtrSDH1至PtrSDH7）经系统发育分析确认与AtSDH1-4聚类，分别对应线粒体复合体II的黄素蛋白、铁硫和膜锚定亚基。序列长度差异显著，PtrSDH1-2最长（6833 bp），PtrSDH4-2最短（1785 bp）。该分析为后续功能研究奠定了基础。

Gene structure and conserved motif analysis of the PtrSDH1 gene family in Poplar

基因结构和保守基序分析显示PtrSDH家族含20个保守基序。AtSDH1和PtrSDH1的基序数量和位置高度相似，提示功能保守。PtrSDH4-3缺失一个基序，表明亚功能分化。PtrSDH1包含FAD_binding_2和Succ_DH_flav_C结构域，PtrSDH4含SdhC和SdhD结构域，印证其分别作为黄素蛋白和膜锚定亚基的核心功能。

Characterization of physicochemical properties and structural features of PtrSDH proteins

理化性质分析表明PtrSDH蛋白长度144-638氨基酸，分子量递减，多数为碱性等电点。脂族指数64.16-101.72，亲水性分析显示除PtrSDH3-1和PtrSDH3-2疏水外其余均亲水。稳定性分析表明仅PtrSDH1和PtrSDH4等少数成员稳定。染色体定位显示12个基因分布于10条染色体，未成簇分布，染色体1和15的基因对暗示复制事件促进家族扩张。PagSDH4与同源蛋白Pop_A06G08954.T1和Pop_G06G051783.T1高度相似，共享MAM33结构域。

Expression patterns and tissue-specific expression of SDH genes in Poplar

表达分析显示PtrSDH1、PtrSDH2和PtrSDH4在形成层和木质部上调，PtrSDH4和PtrSDH5在发育中木质部特异上调。84K杨同源基因PagSDH1和PagSDH4经qRT-PCR验证在幼茎、幼叶、木质部和形成层高表达，随茎成熟表达下降，PagSDH4在木质部和形成层表达高于PagSDH1，成为功能研究候选。

Overexpression of PagSDH4 promotes plant growth in Poplar

PagSDH4过表达转基因株系（OE-1和OE-4）较对照（CK）株高增加10%-14%，茎基直径增5%-13%，叶片更大，表明PagSDH4过表达促进营养生长。

PagSDH4 overexpression enhances xylem development and secondary growth in Poplar

解剖学分析显示OE植株木质部宽度为对照1.3-1.5倍，导管数量增1.2-1.4倍，导管面积更大。qRT-PCR表明PagSND1、PagSND2和PagXND1上调，PagVND6和PagVND7下调，证实PagSDH4通过调控NAC和VND转录因子促进木质部分化和次生生长。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次系统鉴定了杨树SDH基因家族，揭示了PtrSDH1和PtrSDH4在维管组织发育中的核心作用。PagSDH4过表达能显著增强次生生长和木质形成，其功能可能与能量代谢供给、碳流重编程及激素信号互作相关。与SUS（蔗糖合酶）等基因家族类似，SDH的功能专业化由复制和选择压力驱动，反映了植物次生生长调控的进化保守性。该研究为林木遗传改良提供了新靶点，但PagSDH4的具体信号通路和代谢机制仍需多组学整合和田间试验验证。成果发表于《BMC Plant Biology》，为木材形成分子机制研究和林业分子育种实践提供了重要理论依据。