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为探究山茶科 TPS 基因家族进化及功能，研究人员鉴定分析相关基因，揭示其进化规律与表达模式。
在自然界中，海藻糖（Trehalose）这位 “神奇小能手” 广泛存在于细菌、植物和哺乳动物等各种生物体内。在植物的生长历程里，海藻糖扮演着极为重要的角色，它不仅参与碳分配，还是植物应对寒冷、干旱、高温和盐碱等恶劣环境时的 “保护盾”，能维持细胞的完整性和活性，助力植物顽强生长。海藻糖的合成离不开海藻糖 - 6 - 磷酸合酶（Trehalose-6-phosphate synthase，TPS）的 “辛勤劳作”，它催化生成海藻糖 - 6 - 磷酸（T6P），为海藻糖的最终合成打下基础。
在植物的基因组世界里，TPS 基因家族广泛分布且成员众多，不同植物的 TPS 基因数量和功能各不相同。它们参与了胚胎发育、花诱导、种子灌浆等重要过程，还在植物抵御生物和非生物胁迫时发挥关键作用。比如，拟南芥（Arabidopsis thaliana）的 AtTPS1 基因突变会导致胚胎致死，而过量表达则能增强植株对干旱、温度和渗透胁迫的耐受性；水稻（Oryza sativa）中过量表达 OsTPS1 基因，也能提升其对多种逆境的抗性。
然而，对于山茶科植物，如具有重要经济价值的茶（Camellia sinensis (L.) Kuntze）和油茶（Camellia oleifera Abel）来说，TPS 基因家族的进化和功能却一直是个未解之谜。为了揭开这层面纱，湖州学院生命与健康科学学院的研究人员勇挑重担，开展了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上，为我们深入了解山茶科植物 TPS 基因家族打开了新的大门。
在这场科研探索之旅中，研究人员运用了多种先进的技术方法。首先是序列获取与筛选技术，他们从多个数据库获取相关基因序列，利用 HMMER 和 BLASTP 两种方法筛选出候选 TPS 基因，并借助多个在线工具确认其结构完整性。其次，通过系统发育分析技术，运用 MAFFT 软件进行多序列比对，使用 IQ-TREE2 构建最大似然系统发育树，从而确定 TPS 基因的分类和进化关系。此外，还利用了基因结构与基序分析技术，借助相关工具展示基因结构、检测保守基序。同时，借助转录谱分析技术，运用公开的 RNA-seq 数据研究基因表达模式，并通过 qRT-PCR 实验进行验证。
研究人员在 10 种山茶科植物中开启了 “寻宝之旅”，最终成功鉴定出 102 个 TPS 基因。这些基因数量在不同物种间有所差异，最少的有 7 个，最多的达 15 个，这暗示着 TPS 基因在不同山茶科物种中经历了独特的基因复制事件。
通过构建系统发育树，研究人员发现 TPS 基因可分为两个主要亚家族（I 和 II），其中 II 亚家族又能进一步细分为 5 个分支（II-1、II-2、II-3、II-4、II-5）。这一分类结果与拟南芥、水稻等植物的研究结果相契合。而且，山茶科 TPS 基因与拟南芥的亲缘关系更近，这意味着它们可能在功能上也有相似之处。
在基因结构的探索中，研究人员发现 I 类 TPS 基因内含子较多，结构更为复杂，通常含有 16 个内含子；而 II 类 TPS 基因内含子较少，一般只有 2 个内含子。同时，II 类 TPS 蛋白大多含有一个卤代酸脱卤酶样水解酶（Hydrolase_3）结构域，I 类 TPS 蛋白则缺失该结构域和 motif 8。这些结构差异表明，两个亚家族的 TPS 基因在进化和功能上可能走上了不同的道路。
研究人员还发现，山茶科 TPS 基因的扩张主要源于片段复制事件。在不同物种中，他们鉴定出多对由片段复制产生的基因对，且这些基因对的 Ka/Ks 比值均小于 1，这说明它们在进化过程中受到了纯化选择。此外，山茶科植物与拟南芥之间存在较多的直系同源基因对，这进一步支持了两者在进化上的紧密联系。
对 TPS 基因启动子区域顺式作用元件的预测发现，其中光响应元件最为丰富，同时还包含多种与胁迫和植物激素响应相关的元件，如厌氧诱导元件（ARE）、干旱诱导元件（MBS）、脱落酸响应元件（ABRE）等。这表明 TPS 基因可能参与植物对环境刺激和植物激素信号的响应过程。
转录谱分析结果显示，大多数 TPS 基因在各种组织中都有表达，但也存在一些差异。例如，部分基因在花中特异性表达，且一些复制基因对的表达模式也有所不同。在不同的胁迫条件下，TPS 基因的表达变化多样，有的基因在冷胁迫下上调，有的在盐胁迫下下调，这充分体现了它们在植物应对胁迫过程中的重要作用。
综上所述，这项研究首次对山茶科植物 TPS 基因家族进行了全面深入的进化分析，揭示了其在分子进化和表达模式上的特点。研究发现 TPS 基因家族经历了片段复制事件，在进化过程中受到纯化选择，并且在不同组织和胁迫条件下呈现出多样化的表达模式。这些成果不仅加深了我们对山茶科植物 TPS 基因家族进化的理解，更为后续研究 TPS 基因在茶和油茶生长发育、逆境响应中的功能奠定了坚实基础，有望为提高山茶科植物的品质和抗逆性提供新的思路和理论依据。
