本研究由云南农业大学的Xiaoxue Zhao、Shiyu Wang、Fenggen Guo*和Pan Xia合作完成，发表于2024年的BMC Genomics期刊。研究聚焦于藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）在低温胁迫下的多胺（polyamines, PAs）代谢和乙烯合成基因家族的基因组分析及其分子机制，旨在为藜麦的抗寒育种和栽培推广提供理论依据和遗传资源。

学术背景

藜麦是一种营养丰富的伪谷物，但其收获前的发芽问题（pre-harvest sprouting, PHS）严重影响产量和品质。通过延迟播种避开雨季是缓解PHS的新思路，但高海拔地区低温环境（如夜间温度低于0℃）对藜麦生长构成挑战。因此，培育抗寒藜麦品种并解析其低温响应机制具有重要应用价值。多胺和乙烯是植物响应逆境胁迫的关键代谢物，二者共享前体物质S-腺苷甲硫氨酸（SAM），但它们在低温胁迫下的协同或拮抗关系尚不明确。本研究通过生物信息学和基因组学工具，全面分析了藜麦多胺代谢与乙烯合成基因家族的特征及低温胁迫下的表达模式，以揭示其在植物抗寒性中的作用。

研究流程

1. 基因家族鉴定与理化性质分析
   从藜麦基因组中鉴定出37个多胺合成基因（包括ADC、ODC、SPDS、SPMS等）、30个多胺分解基因（如CuAO、PAO）和227个乙烯合成基因（ACS和ACO家族）。通过Pfam数据库和隐马尔可夫模型（HMM）筛选，结合拟南芥和水稻的同源基因比对，确认目标基因。利用TBtools分析蛋白质的等电点（pI）、分子量（MW）等理化性质，并预测亚细胞定位。结果显示，多胺合成基因的蛋白质长度差异显著（80-747个氨基酸），且多数定位于细胞质或叶绿体。

2. 系统发育与结构分析
   构建藜麦、拟南芥和水稻的基因家族系统发育树，发现多胺合成基因（如CqSPDS、CqSPMS）与拟南芥同源基因亲缘关系较近，而CqCPA家族更接近水稻。基因结构分析显示，同一家族的成员具有相似的外显子-内含子结构，例如CqSPDS家族均含9个外显子，而CqACO家族成员的外显子数差异较大（2-12个）。启动子顺式作用元件分析表明，这些基因富含应激响应、激素调控和光响应元件。

3. 低温胁迫实验与表达分析
   选用抗寒品种红藜（RQ8）和低温敏感品种白藜（WQ13），在4℃下胁迫48小时后进行转录组和蛋白质组测序。转录组数据显示，多胺合成基因（如CqADC、CqSPDS）和部分乙烯合成基因（如CqACS1）在低温下显著上调，而CqACL5家族成员表达下降。差异表达基因（如CqACO83和CqACO119）的FPKM值变化超过100倍，表明其强烈响应低温。蛋白质互作（PPI）网络分析发现，CqODC1和CqSPMS2处于网络核心，提示其在代谢调控中的关键作用。

4. 功能富集与通路分析
   GO富集显示差异基因主要参与“多胺生物合成”“氧化还原酶活性”等生物过程；KEGG分析揭示这些基因富集于“半胱氨酸-蛋氨酸代谢”“精氨酸-脯氨酸代谢”等通路。例如，CqSAMDC1和CqACS1的上调可能通过竞争SAM前体影响多胺与乙烯的平衡。

主要结果

• 基因家族特征：多胺代谢和乙烯合成基因家族在进化中高度保守，但成员间表达模式存在分化。例如，CqPAO7和CqPAO18在低温下上调，可能通过产生活性氧（ROS）参与信号传递。
• 低温响应机制：多胺合成与分解基因的协同表达（如CqADC1与CqODC1）可能通过积累多胺（如腐胺、亚精胺）增强抗寒性；乙烯合成基因（CqACS）的上调则表明乙烯信号通路被激活。
• 代谢互作：Mantel检验显示多胺代谢与乙烯合成基因家族显著相关（p<0.05），但未观察到明显的拮抗效应，推测SAM库容量充足时二者可并行作用。

结论与价值

本研究首次在藜麦中系统鉴定了多胺代谢和乙烯合成基因家族，揭示了其在低温胁迫下的动态调控网络。结果表明，多胺和乙烯可能通过独立或协同途径参与藜麦的低温适应，为抗寒育种提供了候选基因（如CqSAMDC1、CqACO83）。此外，基因家族的结构和表达分化现象为植物逆境响应的功能冗余理论提供了新证据。

研究亮点

1. 全面基因组分析：鉴定出294个多胺和乙烯相关基因，填补了藜麦代谢研究的空白。
2. 低温响应特异性：发现CqACO家族成员的表达具有品种特异性，如CqACO98仅在白藜中表达。
3. 方法创新：结合转录组、蛋白质组和PPI网络分析，多维度解析基因功能。
4. 应用潜力：筛选的关键基因可用于分子标记辅助育种，提升藜麦在高寒地区的栽培适应性。

其他价值

研究还提出，多胺分解产生的H₂O₂可能作为第二信使激活抗逆信号，这一发现为植物ROS调控机制提供了新视角。数据已公开于NCBI（PRJNA1080447）和iProX（IPX0008218001），可供后续研究参考。