桃中丝氨酸乙酰转移酶（SAT）基因家族鉴定及 PpSAT1基因调控不定根形成的功能研究：开启桃树无性繁殖新征程

为探究桃（Prunus persica）中丝氨酸乙酰转移酶（SAT）基因对不定根（AR）形成的调控机制，研究人员鉴定了桃 SAT 基因家族，并对 PpSAT1基因功能展开研究。结果发现 PpSAT1基因可促进 AR 发育，这为桃树克隆育种提供了理论依据。

　　在植物的生长发育过程中，不定根的形成起着至关重要的作用。对于桃树而言，采用无性砧木进行育苗已成为趋势，其扦插成活率很大程度上依赖于不定根的形成。然而，像桃树这样的木本植物，不定根形成相对困难，扦插生根过程受到多种因素的调控，包括激素、营养物质、酚类物质、酶活性以及基因等。近年来，从生理角度解决扦插不定根形成的问题遭遇瓶颈，研究桃树不定根形成过程中相关基因的特征与功能，对揭示其生根机制、完善分子机制意义重大。目前，虽有不少学者对植物不定根形成的基因调控网络等方面展开研究，但桃中 SAT 基因对不定根形成的调控机制仍不明确。

为了解开这一谜团，甘肃省农业科学院林果花卉研究所与甘肃农业大学园艺学院的研究人员携手开展了相关研究。他们通过一系列实验，最终得出结论：PpSAT₁基因能够促进不定根的发育。这一研究成果发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》杂志上，为桃树的克隆育种提供了重要的理论基础。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，基于转录组测序数据和 qRT-PCR 技术，筛选并克隆出与不定根形成相关的 PpSAT₁基因；其次，借助生物信息学分析，对 SAT 基因家族的理化性质、进化关系以及顺式作用元件等进行深入探究；最后，利用农杆菌介导的遗传转化技术，将 PpSAT₁基因导入桃近缘种李（Prunus domestica）和模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，以验证该基因的功能 。

研究结果如下：

1. 半胱氨酸代谢途径分析：基于前期转录组测序数据，发现半胱氨酸代谢途径在不定根形成过程中显著富集。其中，丝氨酸乙酰转移酶（SAT₁/4）在不定根形成的多个阶段呈现明显上调，尤其是 SAT₁在 7、14 和 28 天显著诱导表达，21 天也有显著表达，表明其在诱导不定根形成中可能发挥重要作用。同时，结合 qRT-PCR 验证，进一步证实了转录组数据的可靠性。
2. 蛋白基本理化性质及二级、三级结构分析：利用 ExPASY 数据库分析四个 SAT 基因的理化性质，发现它们编码的蛋白质氨基酸序列长度、分子量和等电点存在差异，且亚细胞定位主要分布在叶绿体和细胞质。二级结构分析显示，其主要由 α- 螺旋（Hh）、延伸链（Ee）和无规卷曲（Cc）构成，且 Hh 和 Cc 占比较大。三级结构分析表明，四个基因编码的蛋白质空间结构高度相似。
3. 染色体定位和共线性分析：四个 PpSAT 基因均匀分布在桃基因组的 4 号和 7 号染色体上。通过种间共线性分析发现，桃与拟南芥、苹果的 SAT 基因家族存在多对共线关系，这表明这些物种的 SAT 基因具有同源性。
4. 系统发育树和结构分析：对 PpSAT 基因编码的氨基酸序列进行比对，发现其同源性为 75.06%。构建的系统发育树将蛋白质分为三个主要分支，桃、拟南芥、苹果和水稻的基因分布在这三个分支中，说明这些物种的 SAT 基因在各分支内具有较高同源性和密切的进化关系。此外，MEME 分析鉴定出 10 个保守基序，多数成员含有相似基序，暗示功能可能相似。基因结构分析显示，家族基因的外显子数量为 1 - 9 个不等，内含子和外显子的长度及位置差异显著，这可能是基因功能不同的原因。
5. 顺式作用元件分析：利用 PlantCARE 软件分析发现，SAT 基因的启动子区域包含激素相关、植物发育相关、胁迫相关和光响应等多种顺式作用元件。其中，四个基因的启动子区域都含有脱落酸和赤霉素响应元件，部分基因含有其他激素响应元件，这表明不定根形成是一个受激素复杂调控的过程。
6. 实时荧光定量 qRT-PCR 分析：qRT-PCR 分析结果显示，PpSAT₁和 PpSAT₄的表达水平显著高于 PpSAT₂和 PpSAT₃，且表达趋势与转录组数据一致，提示 PpSAT₁和 PpSAT₄可能在不定根形成中发挥关键作用。
7. PpSAT₁基因克隆及转基因植株筛选鉴定：成功克隆出 PpSAT₁基因，并构建了其表达载体。经 PCR 和 qRT-PCR 鉴定，获得了过表达 PpSAT₁的李和拟南芥转基因植株。
8. 功能验证：在李和拟南芥中对 PpSAT₁基因进行功能验证，结果表明，过表达 PpSAT₁的转基因植株不定根生长明显优于野生型，根形态参数（根长、根表面积、根直径、根体积和根尖数）显著增强，同时过表达植株的过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性也显著高于野生型。

研究结论和讨论部分指出，本研究首次在桃中鉴定了与不定根形成相关的丝氨酸乙酰转移酶基因家族，共发现 4 个成员，分属于 3 个亚组，分布在两条不同染色体上。顺式作用元件分析揭示了其主要参与光形态建成、茉莉酸甲酯（MeJA）信号传导、生长素响应和水杨酸信号传导等过程。qRT-PCR 结果显示 PpSAT₁基因在不定根形成过程中高表达，对其进行功能验证发现，过表达 PpSAT₁可提高多种根参数以及 POD 和 SOD 活性，在拟南芥中也有类似功能。这初步证实了 PpSAT₁在促进不定根形成中发挥积极作用。未来，研究人员将进一步深入研究该基因促进桃不定根生长的分子机制，为桃树优良品种的选育提供更坚实的理论依据。