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藜麦R2R3-MYB基因家族的全基因组鉴定与分析：盐碱胁迫响应的研究
主要作者与机构及发表信息
本研究由刘雨琦（Yuqi Liu）和王明宇（Mingyu Wang）作为共同第一作者，通讯作者为李立新（Lixin Li），所有作者均来自东北林业大学生命科学学院盐碱植被生态恢复教育部重点实验室。该论文于2023年5月23日发表在《International Journal of Molecular Sciences》期刊上。
学术背景
本研究属于植物分子生物学领域，重点关注藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）中R2R3-MYB转录因子（Transcription Factors, TFs）在盐碱胁迫响应中的作用。土壤盐碱化严重抑制植物生长发育，并对作物产量造成不利影响。藜麦作为一种高营养价值的作物，以其对多种生物和非生物胁迫的耐受性而闻名。R2R3-MYB转录因子是植物中最大的转录因子家族之一，广泛参与植物生长发育、代谢调控以及逆境响应。然而，关于藜麦中R2R3-MYB基因的功能研究仍处于早期阶段。本研究旨在通过全基因组鉴定和系统分析，揭示藜麦R2R3-MYB基因家族的结构特征及其在盐碱胁迫响应中的潜在功能，为后续功能研究提供基础数据。
研究流程
本研究包括以下几个主要步骤：
全基因组鉴定R2R3-MYB基因家族成员
研究团队从Ensembl Plants数据库下载了藜麦的基因组文件和注释文件，并使用HMMER工具（基于PF00249隐马尔可夫模型）筛选出MYB蛋白。通过分析相邻重复序列，最终鉴定出65个R2R3-MYB基因，命名为CqMYB2R1至CqMYB2R65。这些基因编码的蛋白质包含两个N端重复的MYB_DNA结合域，平均长度为336个氨基酸，分子量约为37.8 kDa，大多数为酸性蛋白（等电点）。亚细胞定位预测显示，除CqMYB2R35具有核质双定位外，其余基因产物均定位于细胞核。
进化关系分析
研究团队构建了藜麦和拟南芥（Arabidopsis thaliana）R2R3-MYB基因的系统发育树。结果显示，CqMYB2R基因被分为26个亚家族，其中S6、S8、S10、S12和S15亚家族仅包含拟南芥基因。系统发育分析有助于预测CqMYB2R基因的功能。
基因和蛋白质结构分析
使用MEME工具分析了CqMYB2R蛋白的保守基序（motif），共鉴定出10个高度保守的基序。其中，motif 1、3和9为MYB结构域，其他基序功能未知。大多数CqMYB2R蛋白的基序分布模式高度保守，但部分基序表现出特异性。例如，motif 8仅出现在CqMYB2R05和CqMYB2R13中，而motif 9仅出现在CqMYB2R04、CqMYB2R20、CqMYB2R24、CqMYB2R33和CqMYB2R35中。此外，研究还分析了基因的内含子-外显子结构，发现大多数基因含有2-4个外显子，少数基因具有1个或12个外显子。
顺式作用元件分析
研究团队提取了CqMYB2R基因起始密码子上游2000 bp的启动子序列，并利用PlantCARE软件分析了其中的顺式作用元件。结果表明，这些元件可分为光响应、植物激素响应、植物生长和逆境响应四类，其中植物激素响应元件最为丰富，涉及脱落酸（ABRE）、赤霉素（GARE-motif、P-box）、水杨酸（TCA-element）、生长素（TGA-element）和茉莉酸（CGTCA-motif、TGACG-motif）等信号通路。
转录组分析
研究团队对经过碳酸盐处理的藜麦叶片进行了转录组分析，以探究CqMYB2R基因在盐碱胁迫下的表达模式。结果显示，六个基因（CqMYB2R16、CqMYB2R29、CqMYB2R42、CqMYB2R43、CqMYB2R45和CqMYB2R49）的表达水平显著改变。RT-qPCR验证结果与转录组数据一致。
亚细胞定位与转录激活活性分析
研究团队选择了四个CqMYB2R基因（CqMYB2R09、CqMYB2R16、CqMYB2R25和CqMYB2R62），通过瞬时表达实验验证其亚细胞定位。结果表明，这些基因产物均定位于细胞核。此外，酵母双杂交实验显示，这四个基因均具有转录激活活性。
主要结果
1. 基因鉴定与进化分析
共鉴定出65个CqMYB2R基因，分为26个亚家族。系统发育分析揭示了这些基因与其他物种中已知功能基因的同源关系，为进一步功能预测提供了依据。
基因与蛋白质结构特征
CqMYB2R基因的内含子-外显子结构多样，保守基序分布模式高度保守，但部分基序表现出特异性。这些结构特征可能与其功能分化相关。
顺式作用元件分析
启动子区域富含多种顺式作用元件，尤其是植物激素响应元件，表明CqMYB2R基因可能通过多种信号通路参与逆境响应。
转录组分析
转录组数据分析显示，六个CqMYB2R基因在盐碱胁迫下显著差异表达，表明它们可能在逆境响应中发挥重要作用。
亚细胞定位与转录激活活性
四个选定的CqMYB2R基因产物定位于细胞核，并具有转录激活活性，进一步验证了它们作为转录因子的特性。
结论与意义
本研究首次系统鉴定了藜麦R2R3-MYB基因家族成员，并对其蛋白和基因结构、表达模式以及转录因子特性进行了全面分析。研究结果表明，部分CqMYB2R基因在盐碱胁迫响应中具有重要作用，为后续功能研究提供了重要线索。此外，这些基因可能通过调控次生代谢产物合成和细胞壁形成参与植物逆境适应过程。本研究不仅为藜麦R2R3-MYB基因的功能研究奠定了基础，也为通过分子设计育种培育抗逆藜麦品种提供了潜在靶标。
研究亮点
1. 首次系统鉴定了藜麦R2R3-MYB基因家族，共鉴定出65个成员。 2. 结合转录组分析和实验验证，揭示了部分CqMYB2R基因在盐碱胁迫响应中的潜在功能。 3. 提供了详细的基因结构、保守基序和顺式作用元件分析，为功能预测提供了重要依据。 4. 验证了四个CqMYB2R基因的亚细胞定位和转录激活活性，进一步支持了其作为转录因子的特性。
其他有价值内容
研究团队还探讨了CqMYB2R基因在次生代谢产物合成和细胞壁形成中的潜在作用，为未来研究提供了新的方向。此外，本研究的数据和方法也可为其他作物的R2R3-MYB基因功能研究提供参考。