全基因组鉴定与分析 TBL 基因揭示 NtTBL31 增强烟草抗旱性

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Genome-wide identification and analysis of the TBL genes reveals NtTBL31 increases drought resistance of tobacco (Nicotiana tabacum)

为探究烟草 TBL 基因家族功能，研究人员开展相关研究，鉴定出 130 个 NtTBL 基因，证实 NtTBL31 增强烟草抗旱性，奠定研究基础。

　　烟草，作为我国重要的经济作物，在农业生产中占据着举足轻重的地位。它的生长与发育受到多种因素的影响，其中各种环境胁迫，如寒冷、干旱以及病害等，对烟草的产量和质量有着极大的威胁。在植物细胞中，细胞壁不仅为细胞提供机械支撑，还在物质运输、信息传递以及抵御病原体入侵等方面发挥着关键作用。而细胞壁多糖的 O - 乙酰化修饰，就像给细胞壁穿上了一层特殊的 “铠甲”，在植物的生长、发育以及对环境的适应过程中起着至关重要的作用。

在植物王国里，O - 乙酰化修饰的 “指挥家” 是由三个不同的蛋白质家族担任，其中 trichome birefringence-like（TBL）蛋白家族，是负责催化多糖 O - 乙酰化的重要成员。在模式植物拟南芥和水稻中，TBL 基因家族的研究已经取得了不少成果，科学家们发现这些基因在植物的生长、发育以及抵御病虫害等方面都扮演着重要角色。然而，令人遗憾的是，在烟草这个重要的经济作物中，TBL 基因家族的功能却一直是个未解之谜，这就像一座神秘的宝藏等待着人们去挖掘。

为了揭开烟草 TBL 基因家族的神秘面纱，中国烟草基因研究中心和北京生命科学研究院的研究人员踏上了探索之旅。他们通过一系列研究，在烟草中成功鉴定出 130 个 TBL 基因（NtTBL），并深入分析了这些基因的结构、进化以及在烟草生长发育和应对各种胁迫过程中的功能。这一研究成果发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》上，为烟草的基础研究和育种改良提供了重要的理论依据。

研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先是生物信息学分析，他们通过从公共数据库获取拟南芥和水稻的 TBL 蛋白序列，与烟草基因组序列进行比对，从而鉴定出烟草中的 TBL 基因。接着利用多种软件进行系统发育分析、保守基序分析、基因结构和结构域预测等，探究 NtTBL 基因的进化关系和结构特征。在基因表达分析方面，他们收集了不同组织和不同胁迫处理下的转录组数据，进行表达谱分析，还通过定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）验证关键基因的表达。此外，利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术，研究特定基因的功能。

下面来看看具体的研究结果。在 TBL 基因鉴定和特征分析中，研究人员以拟南芥和水稻的 TBL 蛋白序列为 “探针”，在烟草的基因 “海洋” 中进行搜索，最终鉴定出 156 个潜在的 NtTBL 基因。经过筛选，确定了 130 个具有完整结构和功能的 NtTBL 基因，并根据它们在染色体上的位置进行了编号。这些基因编码的蛋白质长度、分子量、等电点以及亲水性各不相同，大部分蛋白质具有良好的稳定性和较强的亲水性。

对 NtTBL 蛋白进行系统发育分析发现，它们可以分为五个不同的组（I - V），还有部分未分组（NG）。所有的 NtTBL 蛋白都含有 TBL 蛋白的重要特征基序 GDS 和 DxxH，并且不同组的基因在结构和结构域上存在差异，这表明 NtTBL 基因在进化过程中既有保守性，又有多样性。

在染色体定位和复制分析中，研究人员发现 127 个 NtTBL 基因不均匀地分布在烟草的 24 条染色体上，部分染色体上基因分布较为密集，形成了 “基因岛”。通过分析基因的复制事件，发现 NtTBL 基因家族存在串联重复和片段重复现象，并且在进化过程中主要受到纯化选择的影响。这意味着在漫长的进化历程中，NtTBL 基因家族通过基因复制不断丰富自身，同时又在自然选择的 “筛子” 下，保留了对烟草生存和繁衍有益的基因。

顺式作用元件和蛋白质调控网络分析显示，NtTBL 基因的启动子区域存在大量与植物激素响应、非生物和生物胁迫以及植物生长发育相关的顺式作用元件。这就好比 NtTBL 基因的 “开关”，受到多种信号的调控。研究人员还预测了转录因子（TFs）、微小 RNA（miRNAs）与 NtTBL 基因之间的调控关系，发现它们之间存在复杂的相互作用网络，共同调节着 NtTBL 基因的表达。

在不同组织和不同生长阶段的 NtTBL 基因表达分析中，研究人员发现 NtTBL 基因在烟草的各个组织和不同生长阶段都有表达，但表达模式存在差异。有些基因在特定组织中特异性表达，有些基因在不同生长阶段的表达水平也有所变化。这表明 NtTBL 基因在烟草的生长发育过程中各司其职，共同协作，就像一个精密的乐团，每个成员都在不同的时刻发挥着独特的作用。

对 NtTBL 基因在应对冷、干旱胁迫、病原菌感染和植物激素处理时的表达分析发现，不同组的 NtTBL 基因对不同的胁迫和激素处理有不同的响应。例如，在低温处理下，部分基因表达上调，部分基因表达下调；在干旱胁迫下，NtTBL31 基因表达显著上调，而其他一些基因则表现出组织特异性的表达变化。在病原菌感染和植物激素处理实验中，也观察到了类似的现象，这说明 NtTBL 基因参与了烟草对多种胁迫和激素信号的响应过程。

最后，研究人员对 NtTBL31 基因进行了深入研究。通过亚细胞定位实验发现，NtTBL31 蛋白定位于线粒体。利用 VIGS 技术沉默 NtTBL31 基因后，烟草植株的生长受到抑制，在干旱胁迫下更加敏感，这直接证明了 NtTBL31 基因在烟草生长和抗旱过程中起着关键作用。

在研究结论和讨论部分，研究人员首次对烟草 TBL 基因家族进行了全面系统的鉴定和分析，发现该家族在进化过程中发生了扩张，并且受到纯化选择的影响。NtTBL 基因在烟草的生长发育、应对非生物和生物胁迫以及植物激素信号转导过程中都发挥着重要作用，其中 NtTBL31 基因对烟草的生长和抗旱性具有显著影响。然而，目前仍有许多问题有待进一步研究，比如这些基因如何精确调控细胞壁多糖的乙酰化修饰，以及它们在其他生物过程中的具体作用机制等。这项研究为后续深入探究烟草 TBL 基因家族的功能奠定了坚实的基础，也为烟草的遗传改良提供了新的思路和靶点，有望帮助烟草种植者培育出更能抵御逆境的烟草品种，保障烟草的产量和质量。