解密大白菜 BrCHS 基因家族：解锁黄酮合成、抗逆与育种新密码

为解决大白菜中 BrCHS 基因家族未被研究的问题，研究人员开展大白菜 BrCHS 基因家族的鉴定、特征及表达分析研究，发现 10 个相关基因，明确其功能。这为大白菜遗传改良和品种培育提供依据，值得科研读者一读。

　　

探寻大白菜 “色彩密码”：BrCHS 基因家族的奥秘之旅

在植物的奇妙世界里，大白菜（Brassica rapa L. ssp. Pekinensis）作为我国重要的蔬菜作物，有着各种各样的颜色。常见的有绿色，还有黄色、橙色和紫色等。你可别小瞧这些颜色差异，它们不仅影响着大白菜的颜值，还和叶子的光合效率、产量以及营养价值密切相关呢！

这些颜色的形成，主要是因为大白菜叶子里含有叶绿素、类胡萝卜素和花青素等物质。其中，花青素的积累对大白菜叶色的发育起着关键作用。花青素不仅能让植物呈现出绚丽多彩的颜色，还在植物抵抗病虫害、紫外线辐射和低温等方面发挥着重要作用。想象一下，花青素就像植物的 “小卫士”，时刻保护着它们免受外界的伤害。

而查尔酮合酶（Chalcone synthase，CHS）是花青素合成途径中的关键酶，它就像一个 “小工匠”，负责催化生成花青素的前体物质查尔酮。CHS 基因家族在许多植物中都有研究，但在十字花科作物，尤其是重要的大白菜上，相关研究却少之又少。大白菜的 CHS 基因（BrCHS）家族到底是怎样的呢？它们在大白菜的生长、发育和应对环境变化中又扮演着什么角色呢？带着这些疑问，研究人员踏上了探索大白菜 BrCHS 基因家族奥秘的征程。

为了解开这些谜团，研究人员在《BMC Genomics》期刊上发表了名为 “Genome-wide identification, characterization and expression analysis of the chalcone synthase (CHS) gene family in Chinese cabbage (Brassica rapa L. ssp. Pekinensis)” 的论文。通过深入研究，他们发现大白菜基因组中存在 10 个 BrCHS 基因，这些基因分布在 7 条染色体上。而且，这些基因在进化过程中似乎保持了相似的特征和功能。更重要的是，研究证实了 BrCHS4 参与了大白菜中黄酮类化合物和花青素的积累，这为培育富含花青素的紫色大白菜品种提供了重要的候选基因。这项研究成果就像一把钥匙，为我们打开了了解大白菜 BrCHS 基因家族的大门，对大白菜的遗传改良和品种培育具有重要意义。

在这场探索之旅中，研究人员使用了多种技术方法。他们利用生物信息学技术，从大白菜基因组中鉴定出 BrCHS 基因家族成员。通过系统进化分析，研究这些基因的进化关系。借助荧光定量 PCR 技术，探究 BrCHS 基因在激素和胁迫处理下的表达变化。还运用病毒诱导的基因沉默（Virus-induced gene silencing，VIGS）技术，对 BrCHS4 基因的功能进行验证。这些技术就像研究人员手中的 “魔法工具”，帮助他们一步步揭开 BrCHS 基因家族的神秘面纱。

下面，让我们一起看看研究人员在探索过程中都有哪些有趣的发现吧！

大白菜查尔酮合酶基因的鉴定与理化性质分析

研究人员就像基因侦探一样，在大白菜的基因组中仔细寻找 BrCHS 基因。他们通过搜索 Pfam 数据库，确认了所有候选蛋白都含有 Chal_sti_synt_C（PF02797）和 Chal_sti_synt_N（PF00195）结构域。最终，成功找到了 10 个 BrCHS 基因，并根据它们在染色体上的位置，给它们命名为 BrCHS1 - BrCHS10。

这些基因在染色体上的分布并不均匀，就像小朋友们在操场上随意站的位置一样。其中，A03 染色体上的 BrCHS 基因数量最多，有 3 个；A02 染色体上有 BrCHS2 和 BrCHS3；而 A01、A04、A08、A09 和 A10 染色体上各只有 1 个；A05、A06 和 A07 染色体上则没有 BrCHS 基因。这暗示着 BrCHS 基因在大白菜的整个基因组中可能有着重要的作用。

接着，研究人员对 BrCHS 基因编码的蛋白质进行了 “体检”，预测了它们的理化性质。结果发现，这些蛋白质的氨基酸数量在 392 - 396 之间，分子量在 42801.08 - 43239.97 Da 之间，理论等电点在 5.60 - 6.61 之间，都是酸性蛋白质。而且，它们的不稳定指数和脂肪族指数也各不相同，GRAVY 值均为负数，说明这些蛋白质都是亲水性的。

BrCHS 蛋白的系统发育分析

为了弄清楚 BrCHS 蛋白家族成员之间的 “亲缘关系”，研究人员构建了一个系统发育树。这个树就像一个家族族谱，把大白菜、同属的甘蓝、同科的拟南芥以及亲缘关系较远的茄子的 CHS 蛋白都联系在了一起。

通过分析，研究人员发现 BrCHS 蛋白可以分为两大类：CHS 类和 CHS - like 类。BrCHS2、BrCHS3、BrCHS4、BrCHS9 和 BrCHS10 属于 CHS 类，而 BrCHS1、BrCHS5、BrCHS6、BrCHS7 和 BrCHS8 属于 CHS - like 类。这就好比一个大家庭分成了两个小家族，每个小家族都有自己独特的特点。

BrCHS 蛋白基序与 BrCHS 基因结构

研究人员进一步对 BrCHS 蛋白的基序和基因结构进行了研究。他们发现，BrCHS 基因的外显子数量各不相同，7 个 BrCHS 基因有 2 个外显子，BrCHS1 和 BrCHS3 基因有 3 个外显子，BrCHS8 基因则有 4 个外显子。这表明 BrCHS 基因的外显子长度和数量存在差异。

在 BrCHS 蛋白中，研究人员找到了 10 个保守基序。其中，BrCHS1、BrCHS5、BrCHS6、BrCHS7 和 BrCHS8 有 9 个保守基序，且排列相同；BrCHS2、BrCHS3、BrCHS4、BrCHS9 和 BrCHS10 有 10 个保守基序，排列也一致，它们之间的区别就在于 Motif 9。这个 Motif 9 就像是区分大白菜 CHS 蛋白和 CHS - like 蛋白的 “秘密武器”，它可以形成特定的结构域，对蛋白质的折叠和维持稳定的三维结构至关重要。

另外，所有 CHS 蛋白都只有一个结构域。BrCHS1、BrCHS5、BrCHS6、BrCHS7 和 BrCHS8 只含有 PLN03169 结构域；BrCHS2 和 BrCHS3 只含有 PLN03170 超家族结构域；BrCHS4 和 BrCHS10 只含有 PLN03172 超家族结构域；BrCHS9 只含有 PLN03173 超家族结构域。

BrCHS 蛋白结构的预测与分析

为了更深入地了解 BrCHS 蛋白的结构，研究人员对它们的二级和三级结构进行了预测。结果显示，BrCHS 蛋白的二级结构主要由 α - 螺旋、延伸链、β - 转角和无规卷曲组成。大多数 BrCHS 蛋白中，α - 螺旋的比例最大，β - 转角的比例最小。只有 BrCHS7 的二级结构顺序是无规卷曲 > α - 螺旋 > 延伸链 > β - 转角。

在跨膜结构方面，BrCHS1、BrCHS5、BrCHS7 和 BrCHS8 都有两个跨膜螺旋，而其他 6 个 BrCHS 蛋白则没有跨膜结构。亚细胞定位预测表明，BrCHS4、BrCHS5 和 BrCHS7 定位在叶绿体中，其余的则定位在细胞质中。而且，大白菜 CHS 蛋白的磷酸化位点中，丝氨酸和苏氨酸最为丰富，赖氨酸最少。

BrCHS 蛋白的三级结构预测结果显示，BrCHS2、BrCHS3、BrCHS4、BrCHS9 和 BrCHS10 的相似性较高，而 BrCHS1、BrCHS5、BrCHS6、BrCHS7 和 BrCHS8 与其他蛋白的相似性较低。这种差异主要是由于它们基因结构中内含子 / 外显子的数量和分布位置不同，以及编码蛋白的二级结构中不同的空间折叠造成的。

BrCHS 基因的进化分析

基因的进化就像一场漫长的旅行，研究人员通过共线性分析来探索 BrCHS 基因的进化历程。他们发现，大白菜的 10 个 BrCHS 基因参与了 6 个片段复制事件，但没有串联复制事件。这意味着这些基因在进化过程中，通过片段复制的方式增加了基因的数量。

研究人员还计算了复制基因对的非同义 / 同义比（Ka/Ks），结果发现这些基因对的 Ka/Ks 值都小于 1，这表明大白菜的 CHS 基因家族在蛋白质水平上经历了纯化选择，进化速度较慢。这说明 CHS 基因家族在大白菜中相对保守，它们的功能可能也比较稳定。

为了进一步了解 BrCHS 基因与模式植物拟南芥 CHS 基因的关系，研究人员进行了共线性分析。他们发现，BrCHS 基因与拟南芥的 CHS 基因存在 8 对直系同源基因对，6 个 BrCHS 基因与拟南芥 CHS 家族基因共线。这表明大白菜的 BrCHS 基因可能起源于拟南芥的同源基因，它们在进化过程中有着密切的联系。

BrCHS 家族蛋白相互作用网络的预测

研究人员预测了大白菜 CHS 蛋白的相互作用网络，发现所有蛋白通过 K - means 聚类被分为两类。Cluster 1 包括 BrCHS1、BrCHS5、BrCHS6、BrCHS7、BrCHS8 和一种类似二氢黄酮醇 4 - 还原酶的蛋白 DRL1；Cluster 2 包括 BrCHS10、BrCHS2、BrCHS3、BrCHS4、BrCHS9 以及一些参与黄酮类代谢的酶，如查尔酮异构酶（CHI）、类查尔酮异构酶（CHIL）、黄烷酮 3 - 羟化酶（F3H）和二氢黄酮醇 4 - 还原酶（DFR）。这说明除了 BrCHS 蛋白家族成员之间可能存在相互作用外，它们还与其他黄酮类代谢相关酶相互作用，共同参与黄酮类化合物的代谢过程。

BrCHS 基因启动子中的顺式作用元件

启动子中的顺式作用元件就像是基因表达的 “开关”，控制着基因的开启和关闭。研究人员对 BrCHS 基因启动子区域的 2000 bp 序列进行分析，发现其中不仅有许多基本的顺式作用元件，还有光响应元件、植物激素响应元件、胁迫响应元件以及与生长发育相关的元件。

在光响应元件中，80% 的 BrCHS 基因含有 G - box 元件，90% 含有 TCT - motif 元件；在植物激素响应元件中，90% 的 BrCHS 基因含有茉莉酸甲酯（MeJA）响应元件，80% 含有脱落酸响应元件；在胁迫响应元件中，90% 的 BrCHS 基因含有 ARE 元件。这表明 BrCHS 基因家族在大白菜中主要受植物激素调控，并且与胁迫响应和植物生长发育密切相关。

BrCHS 基因在植物激素和非生物胁迫下的表达水平

为了探究 BrCHS 基因在激素响应和非生物胁迫中的作用，研究人员对大白菜幼苗进行了茉莉酸甲酯、盐和干旱胁迫处理，并检测 BrCHS 基因的表达水平。他们发现，BrCHS1 和 BrCHS9 没有表达，其余 8 个 BrCHS 基因在不同处理下呈现出不同的表达模式。

MeJA 处理后，BrCHS2 和 BrCHS8 表达上调；盐胁迫下，BrCHS2、BrCHS3、BrCHS6 和 BrCHS8 表达上调；PEG6000 处理（模拟干旱胁迫）后，BrCHS2、BrCHS3、BrCHS4、BrCHS5、BrCHS6 和 BrCHS8 表达上调，而 BrCHS7 和 BrCHS10 的表达水平在三种胁迫处理下没有显著变化。这些结果表明，大多数 BrCHS 基因参与了植物激素响应和非生物胁迫响应。

BrCHS4 在花青素积累中的功能鉴定

最后，研究人员想知道 BrCHS4 基因在大白菜叶色和花青素积累中到底起着什么作用。他们利用芜菁黄花叶病毒（TYMV）介导的病毒诱导基因沉默（VIGS）技术，沉默了大白菜中 BrCHS4 基因的表达。

结果发现，沉默 BrCHS4 基因的大白菜叶片颜色从紫色变成了绿色，BrCHS4 基因的转录水平显著降低，叶片中黄酮类化合物、花青素和总酚的含量也明显减少。这说明 BrCHS4 在大白菜叶片花青素积累和叶色形成中起着重要作用。

综合研究结果和讨论部分，研究人员成功鉴定出大白菜基因组中的 10 个 BrCHS 基因，它们在染色体上分布不均，编码的蛋白质具有保守的结构域和相似的理化性质。进化分析表明，这些基因经历了片段复制事件，在进化过程中相对保守。BrCHS 基因启动子区域含有多种响应元件，其表达受植物激素和非生物胁迫的调控。功能验证实验证实，BrCHS4 参与了大白菜中黄酮类化合物和花青素的积累。

这项研究为我们深入了解大白菜 BrCHS 基因家族的功能和调控机制提供了重要依据，也为培育富含花青素的紫色大白菜品种提供了理论支持。未来，研究人员可以基于这些发现，进一步探索如何通过调控 BrCHS 基因来改良大白菜的品质，让大白菜不仅美味，还更具营养价值和观赏价值，为我们的餐桌和生活带来更多的惊喜！