摘""要：多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，"PG）在果膠的分解過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，從而導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化，參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)對(duì)逆境脅迫等多個(gè)階段。盡管PG基因在其他植物中已有研究，但在木薯中尚未見對(duì)該基因家族成員鑒定和功能研究的報(bào)道。本研究從木薯基因組中鑒定出89個(gè)MePGs，編碼的氨基酸數(shù)量在183～808之間，分子量介于19.75～87.07"kDa之間，理論等電點(diǎn)（pI）在4.64～9.71之間，大部分成員預(yù)測(cè)定位于細(xì)胞膜。染色體定位分析顯示MePGs不均勻地分布于17條染色體上?；谶M(jìn)化關(guān)系，MePGs被分為A～G共7個(gè)亞組，亞組成員基因結(jié)構(gòu)相似，且存在明顯的串聯(lián)重復(fù)現(xiàn)象；共線性分析結(jié)果表示，相比擬南芥，木薯PG家族基因的親緣性與橡膠更接近。MePGs啟動(dòng)子區(qū)域富含光響應(yīng)、激素響應(yīng)與逆境響應(yīng)元件。MePGs基因具有組織特異性，與木薯生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)。在木薯采后變質(zhì)過(guò)程中，MePGs表現(xiàn)出相似的表達(dá)模式，特別是MePG20、MePG21、MePG25、MePG64和MePG72，均呈現(xiàn)先上升后下降的表達(dá)趨勢(shì)，表明這些基因可能在木薯塊根采后變質(zhì)過(guò)程中先響應(yīng)逆境脅迫，高表達(dá)以分解果膠，隨后隨著細(xì)胞壁的水解完成而降低表達(dá)，這表明PG基因在逆境脅迫中發(fā)揮重要作用。綜上所述，MePG基因家族成員可能通過(guò)片段復(fù)制和內(nèi)含子減少的方式進(jìn)化，并可能通過(guò)感知不同種類的信號(hào)而行使不同的功能，從而形成多樣化的表達(dá)模式。本研究為進(jìn)一步探索MePGs在木薯塊根采后變質(zhì)機(jī)制中的作用提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：木薯；PG基因家族；表達(dá)分析中圖分類號(hào)：S31""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Identification"and"Expression"Analysis"of"the"PG"Gene"Family"in"Cassava

TANG"Xiangning1，2，3，"WANG"Xiaotong1，2，3，"WANG"Luhua2，3，4，"Li"Ruimei2，3，"Yao"Yuan2，3，"WANG"Yajie2，3，"GUO"Jianchun2，3*，"LIU"Jiao2，3*

1."School"of"Life"and"Health"Sciences，"Hainan"University，"Haikou，"Hainan"570228，"China;"2."Institute"of"Tropical"Biotechnology，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agriculturalnbsp;Sciences"/"National"Key"Laboratory"of"Tropical"Crop"Breeding，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"3."Sanya"Research"Institute，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Sanya，"Hainan"572025，"China;"4."School"of"Tropical"Agriculture"and"Forestry，"Hainan"University，"Danzhou，"Hainan"571737，"China

Abstract："Polygalacturonase"（PG）"plays"a"crucial"role"in"plant"growth"and"development，"and"in"stress"responses，"by"participating"in"the"degradation"of"pectin"and"altering"cell"wall"structure."Although"studies"on"PG"genes"have"been"conducted"in"various"plants，"there"is"a"lack"of"research"on"the"identification"and"functional"characterization"of"the"PG"gene"family"in"cassava"（Manihot"esculenta"Crantz）."This"study"identified"a"total"of"89"members"of"the"MePG"family"in"the"cassava"genome，"encoding"proteins"with"183"to"808"amino"acids，"molecular"weights"ranging"from"19.75"to"87.07"kDa，"and"theoretical"pI"values"between"4.64"and"9.71."Most"of"the"family"members"are"predicted"to"be"localized"in"the"cell"membrane."Chromosome"mapping"analysis"revealed"that"MePG"family"members"were"unevenly"distributed"across"17"chromosomes."Based"on"evolutionary"relationships，"MePGs"were"classified"into"seven"subgroups"（A"to"G），"with"similar"gene"structures"within"subgroups"and"evidence"of"tandem"duplication."Comparative"analysis"indicated"that"the"PG"family"genes"in"cassava"were"more"closely"related"to"rubber"than"to"Arabidopsis."The"promoter"regions"of"MePG"genes"were"enriched"with"elements"responsive"to"light，"hormones，"and"stress."MePG"genes"exhibit"tissue"specificity"and"were"associated"with"cassava"growth"and"development."During"postharvest"deterioration"of"cassava，"MePGs"displayed"similar"expression"patterns，"particularly"MePG20，"MePG21，"MePG25，"MePG64"and"MePG72，"which"showed"an"initial"increase"followed"by"a"decrease"in"expression，"suggesting"that"the"genes"may"initially"respond"to"stress，"upregulate"to"break"down"pectin，"and"then"downregulate"as"cell"wall"hydrolysis"is"completed."This"implies"a"significant"role"for"PG"in"stress"responses."Collectively，"the"findings"suggest"that"MePG"gene"family"members"may"have"evolved"through"segmental"duplication"and"intron"loss"and"may"perform"different"functions"by"sensing"various"types"of"signals，"leading"to"diverse"expression"patterns."This"would"study"provide"a"foundation"for"further"exploration"of"the"role"of"MePGs"in"the"postharvest"deterioration"mechanism"of"cassava"roots.

Keywords："cassava;"PG"gene"family;"expression"analysis

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2025.06.004

植物細(xì)胞壁是細(xì)胞的外部支撐結(jié)構(gòu)，主要由纖維素、半纖維素和果膠構(gòu)成，為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支持和保護(hù)功能[1]。果膠在植物細(xì)胞壁中扮演多重角色，包括維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)細(xì)胞間粘連，增強(qiáng)細(xì)胞壁的延展性，提供生長(zhǎng)和發(fā)育信號(hào)以及參與植物的防御響應(yīng)[2]。

果膠的生物合成涉及多種糖基轉(zhuǎn)移酶和蛋白質(zhì)復(fù)合體[3]。果膠由同源半乳糖醛酸（homog alac tu ronan，"HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅰ（rhamn o g ala cturonan"I，"RG-I）、鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅱ（rhamnogalacturonan"II，"RG-II）、木糖半乳糖醛酸聚糖（xylogalacturonan，"XGA）等組成[4-6]，其中HG約占果膠總量的65%[7]。

多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，"PG）是一類催化果膠降解的酶，是HG的主要酶之一，參與細(xì)胞壁中果膠的降解，影響細(xì)胞壁穩(wěn)定性，在植物各生長(zhǎng)階段以及不同組織中扮演著關(guān)鍵角色[8]。

植物中PG蛋白通常包含4個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域。其中，Ⅰ域和Ⅱ域分別包含核心序列SPNTDG和GDDC，這2個(gè)序列中包含3個(gè)天冬氨酸殘基（D），這些殘基參與構(gòu)成酶的催化活性位點(diǎn)。Ⅲ域由序列CGPGHG組成，其中的組氨酸（H）在催化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。Ⅳ域的序列為RIK，該結(jié)構(gòu)域涉及與底物羧基端的離子相互作用。這些結(jié)構(gòu)域的保守性和功能多樣性是PG蛋白在植物細(xì)胞壁降解過(guò)程中發(fā)揮作用的基礎(chǔ)[9]。在這4個(gè)保守結(jié)構(gòu)域中，半胱氨酸殘基（C）均有較好的保守性，推測(cè)其可能參與維持蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)[10]。

木薯（Manihot"esculenta"Crantz）是以富含淀粉的塊根為主要利用形式的重要糧食和能源作物，其塊根在采收后極易發(fā)生生理性變質(zhì)（post h ar vest"physiological"deterioration，PPD）[11]。木薯變質(zhì)分為初發(fā)性變質(zhì)和次發(fā)性變質(zhì)2個(gè)階段，初發(fā)性變質(zhì)取決于內(nèi)源酶作用，而次發(fā)性變質(zhì)主要由微生物感染引起。在次發(fā)性變質(zhì)過(guò)程中，作為植物細(xì)胞第一道屏障的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微生物隨之侵入引發(fā)次級(jí)變質(zhì)，繼而發(fā)生嚴(yán)重的氧化損傷和細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致整個(gè)塊根腐爛[12]。在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化可能與PG家族基因的活性密切相關(guān)。

目前PG基因家族在許多物種中都進(jìn)行了全基因組鑒定及分析，如榴蓮[13]、甘薯[14]和蘋果[15]等，但在木薯中暫未見報(bào)道。本研究旨在木薯基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選鑒定木薯PG家族成員，對(duì)其理化性質(zhì)、基因結(jié)構(gòu)和啟動(dòng)子序列等進(jìn)行分析，并且分析其在木薯不同組織部位和塊根采后變質(zhì)過(guò)程中的表達(dá)情況，以探討PG基因在木薯塊根采后變質(zhì)過(guò)程中的作用。

1""材料與方法

1.1""材料

木薯種植基地位于海南省三亞市南濱農(nóng)場(chǎng)，年降水量1400～1600"mm，年平均氣溫24～26℃。選擇數(shù)棵生長(zhǎng)成熟（約150"d）的華南8號(hào)（SC8）木薯作為試驗(yàn)材料。將未損傷的木薯塊根完整挖出，置于實(shí)驗(yàn)室室溫存放。每次選擇完整的塊根在0、1、3、5、7、10、14、21"d進(jìn)行切片取樣，并存放在?80"℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

木薯（Manihotnbsp;esculenta"Crantz）基因組及注釋數(shù)據(jù)下載于NCBI數(shù)據(jù)中心（https：//www.ncbi."nlm.nih.gov/），擬南芥[Arabidopsis"thaliana"（L.）"H eynh.]和橡膠[Hevea"brasiliensis"（Willd."ex"A."Juss.）"Müll."Arg.]PG基因家族序列下載于NC BI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）和Phytozome（ht tps：//phytozome-next.jgi.doe.gov/）數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2""方法

1.2.1""木薯PG基因家族成員鑒定""通過(guò)TBtools軟件獲取木薯蛋白序列，在擬南芥的蛋白序列中搜索與木薯PG蛋白相似的蛋白序列，將這些蛋白放到swissprot（http：//www.gpmaw.com/html/s w issprot.html）數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行驗(yàn)證，篩選出木薯多聚半乳糖醛酸酶（MePG）家族基因的候選序列。通過(guò)InterPro（https：//www.ebi.ac.uk/interpro/）在線軟件和TBtools軟件的Advanced"Hmmer"Search插件，將候選序列與已知的PG保守結(jié)構(gòu)域（PF00295）進(jìn)行篩選，以確定最終的MePG基因家族成員，并對(duì)篩選出的基因進(jìn)行重命名。

1.2.2""蛋白質(zhì)特性分析""利用TBtools軟件的Protein"Parameter"Calc插件對(duì)MePG蛋白的特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括氨基酸數(shù)量、分子量（MW）和等電點(diǎn)（pI）。通過(guò)PSORT"Prediction（https：//psort.hgc."jp/form.html）在線軟件進(jìn)行亞細(xì)胞定位的預(yù)測(cè)。

1.2.3""木薯PG蛋白多序列比對(duì)""利用DNAM A N軟件對(duì)PG蛋白家族進(jìn)行蛋白多序列比較。

1.2.4""木薯PG蛋白系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建""使用TBtools軟件的One"Step"Build"a"ML"Tree插件創(chuàng)建MePG蛋白序列的系統(tǒng)發(fā)育樹。

1.2.5""木薯PG家族基因結(jié)構(gòu)和motif分析""利用NCBI"batch"wab"CD-search"tool（https：//www.ncbi."nlm.nih.gov/Structure/bwrpsb/bwrpsb.cgi）在線軟

件進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域分析，通過(guò)MEME（https：//"me me-suite.org/meme/tools/meme）在線軟件分析MePG蛋白的保守基序；利用TBtools軟件進(jìn)行可視化處理。

1.2.6""染色體分布和物種間共線性""使用TBtools軟件確定89個(gè)MePG基因的染色體位置。使用TBtools軟件的One"Step"MCScanX插件進(jìn)行木薯與擬南芥和橡膠中的基因同源性分析。

1.2.7""MePG基因家族啟動(dòng)子順式作用元件分析及功能預(yù)測(cè)""利用TBtools軟件提取MePG基因家族序列上游長(zhǎng)度為2000"bp的啟動(dòng)子序列，利用PlantCARE（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/"w e b tools/plantcare/html/）軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并通過(guò)TBtools軟件進(jìn)行可視化分析。

1.2.8""MePG家族成員的表達(dá)模式分析""根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室的SC8木薯轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，分析MePG基因在各組織部位以及將SC8木薯采后變質(zhì)21"d的FPKM值，利用ChiPlot（https：//www.chiplot."on l ine/）在線軟件繪制MePG基因的表達(dá)熱圖。選取MePG20/21/25/64/72基因，設(shè)計(jì)qRT-PCR特異性引物（表1），由北京擎科生物科技有限公司（?？冢┖铣梢?。使用M5"HiPer"Plant"RNeasy"Complex"Mini"Kit“繁可簡(jiǎn)”多糖多酚植物RNA提取試劑盒（北京聚合美生物科技有限公司）提取塊根RNA，使用MonScript?"RTIII"All-in-One"Mix"with"dsDNase（莫納生物科技有限公司）進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄。使用Taq-HS"SYBR?"Green"qPCR"Premix"（Universal）（江蘇愚公生命科技有限公司）和上海力康HealForce的CG-05儀器進(jìn)行qRT-PCR驗(yàn)證。使用2?ΔΔCt法計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。

2""結(jié)果與分析

2.1""MePG基因家族全基因組鑒定與理化分析

利用生物信息學(xué)方法分析木薯基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，共鑒定到89個(gè)PG基因。根據(jù)染色體位置分

布，將89個(gè)MePG基因依次命名為MePG1～"MePG89。氨基酸序列分析表明，MePG蛋白質(zhì)的氨基酸數(shù)目為183（MePG75）～808（MePG22），平均長(zhǎng)度為442"aa；分子量為19.75（MePG75）～

87.08（MePG22）kDa，平均值為47.79"kDa；理論等電點(diǎn)為4.64（MePG21）～9.71（MePG32）（表2）。亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果顯示82個(gè)MePG家族成員定位于細(xì)胞膜，其余成員可能分布在細(xì)胞壁、葉綠體、細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核中。

MePG的氨基酸序列比對(duì)結(jié)果如圖1所示，89個(gè)MePGs中有33個(gè)MePGs的氨基酸序列完整包含了4個(gè)典型的PG保守結(jié)構(gòu)域Ⅰ（序列為SPNTDGI）、Ⅱ（序列為GDDC）、Ⅲ（序列為CGPGHG）和Ⅳ（序列為RIK），如MePG1、MePG2、MePG3、MePG4等。部分MePGs的氨基酸序列存在丟失或缺少的現(xiàn)象，其中42個(gè)MePGs的氨基酸序列缺少結(jié)構(gòu)域Ⅰ，19個(gè)MePGs的氨基酸序列缺少結(jié)構(gòu)域Ⅱ，38個(gè)MePGs的氨基酸序列缺少結(jié)構(gòu)域Ⅲ，10個(gè)MePGs的氨基酸序列缺少結(jié)構(gòu)域Ⅳ。MePG17、MePG18、MePG20的氨基酸序列同時(shí)缺少4個(gè)保守結(jié)構(gòu)域，并伴有氨基酸替換或缺失，推測(cè)這些PG基因可能具有更高的進(jìn)化程度。

2.2""MePG基因家族進(jìn)化樹分析

為研究木薯PG基因的進(jìn)化關(guān)系，本研究采用鄰接法（NJ），構(gòu)建木薯和擬南芥（Arabidopsis"thaliana）的PG基因家族成員蛋白序列（68個(gè)AtPG，89個(gè)MePG）進(jìn)化樹。如圖2所示，2個(gè)物種的157個(gè)PG蛋白被分為7個(gè)亞族（Group"A～Group"G）。A至G亞族分別包含9、6、21、27、16、5、5個(gè)木薯PG。2個(gè)物種在A亞族、B亞族和E亞族中的基因數(shù)量大致相同，2個(gè)物種的PG蛋白在每個(gè)亞族中不均勻分布。亞族的劃分基于蛋白序列的相似度和進(jìn)化關(guān)系，不同亞族的基因通常具有不同的功能。

2.3""MePG基因保守基序及基因結(jié)構(gòu)分析

在基因家族進(jìn)化過(guò)程中，通常伴有外顯子的缺失和增加，為了理解木薯PG基因的特性，通過(guò)TBtools軟件對(duì)木薯89個(gè)MePG基因的外顯子和內(nèi)含子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并繪制基因結(jié)構(gòu)圖。結(jié)果表明（圖3A），同一亞族中的PG基因具有相似的基因結(jié)構(gòu)，其內(nèi)含子的數(shù)量接近，而不同亞族（如Group"F和Group"G）包含基因之間內(nèi)含子數(shù)量差異較大。所有MePG基因中外顯子數(shù)量最少為3個(gè)，而位于Group"F中的MePG60外顯子的數(shù)量最多（18個(gè)）。以上結(jié)果表明，在木薯PG基因進(jìn)化過(guò)程中，外顯子的丟失、獲得與PG基因的功能多樣密切相關(guān)，這是因?yàn)榛蚣易鍍?nèi)部的基因在分子功能上是冗余的，它們可能經(jīng)歷了進(jìn)化選擇過(guò)程，基因中斷由內(nèi)含子插入是真核基因的特征之一。

木薯PG的保守基序分析結(jié)果如圖3B所示，親緣關(guān)系越近的成員其基序結(jié)構(gòu)越相似。大部分MePGs都包含有Motif"10和Motif"6，且均以N→C端按序排列。其中Motif"1的序列包含“SPNTDGI”（保守結(jié)構(gòu)域Ⅰ）與“GDDC”（保守結(jié)構(gòu)域Ⅱ），Motif"3和Motif"5的序列分別包含“CGPGHG”（保守結(jié)構(gòu)域Ⅲ）、“RIK”（保守結(jié)構(gòu)域Ⅳ）。保守結(jié)構(gòu)域Ⅰ包含1個(gè)天冬氨酸殘基（D），該殘基參與酶的催化活性位點(diǎn)，直接影響PG酶的催化效率，缺少該結(jié)構(gòu)域的基因可能催化活性較低或功能不同。保守結(jié)構(gòu)域Ⅱ同樣包含天冬氨酸殘基，參與底物的結(jié)合和催化過(guò)程，缺少該結(jié)構(gòu)域的基因可能無(wú)法有效結(jié)合果膠底物，導(dǎo)致酶活性降低。保守結(jié)構(gòu)域Ⅲ中的組氨酸（H）在催化過(guò)程中發(fā)揮重要作用，尤其是在果膠的水解過(guò)程中，缺少該結(jié)構(gòu)域的基因可能在果膠降解過(guò)程中效率較低。保守結(jié)構(gòu)域Ⅳ可能與底物羧基端的離子相互作用有關(guān)，影響PG酶與果膠的結(jié)合能力，缺少該結(jié)構(gòu)域的基因可能無(wú)法有效結(jié)合果膠，導(dǎo)致酶活性下降。

從進(jìn)化關(guān)系上看，親緣關(guān)系較近的同一亞族的PG基因在基因結(jié)構(gòu)組成和蛋白結(jié)構(gòu)域分布上也具有較高保守性。如圖3C所示，68個(gè)（76.4%）木薯PG家族成員包含1個(gè)共同的結(jié)構(gòu)域PL-6"superfamily，16個(gè)（17.9%）木薯PG家族成員包含1個(gè)共同的結(jié)構(gòu)域Pgu1"superfamily，4個(gè)（4.4%）木薯PG家族成員包含結(jié)構(gòu)域Pectate_"lyase_3"superfamily，但MePG17并不包含這3種結(jié)構(gòu)域中的任何一種。

2.4""MePG染色體定位分析

用TBtools軟件中的染色體定位工具對(duì)89個(gè)MePG基因在染色體上的位置分析發(fā)現(xiàn)，89個(gè)MePG基因不均勻地分布在17條染色體上，其中第1、5和9號(hào)染色體上的基因數(shù)量最多，各含有11個(gè)MePG基因，而第4、6號(hào)染色體上的基因數(shù)量最少，僅含有1個(gè)MePG基因（圖4）。這種不均勻的分布可能反映了基因復(fù)制事件和染色體重排。MePG88和MePG89由于基因組未完全組裝，僅定位到基因組的特定區(qū)域。MePG基因在染色體上的分布模式表明，這些PG基因可能通過(guò)片段復(fù)制和串聯(lián)復(fù)制的方式進(jìn)化，且不同染色體上的基因可能具有不同的功能或表達(dá)模式。

2.5""MePG基因的物種間共線性分析

為了進(jìn)一步了解木薯PG基因家族的系統(tǒng)發(fā)育機(jī)制，本研究分析了木薯與擬南芥、橡膠的種間共線性關(guān)系。如圖5所示，在木薯與擬南芥共有51對(duì)PG同源基因?qū)?，木薯與橡膠共有70對(duì)PG同源基因?qū)?，表明木薯與橡膠的親緣關(guān)系更近。

2.6""MePG基因啟動(dòng)子順式作用元件分析

為了弄清MePG基因的潛在功能和調(diào)控機(jī)制，本研究截取89個(gè)木薯PG基因上游2000"bp的啟動(dòng)子序列，利用PlantCARE軟件對(duì)MePGs啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件進(jìn)行分析。結(jié)果（圖6）顯示，大部分基因都包含與植物激素和非生物脅迫響應(yīng)相關(guān)的作用元件，這些元件與木薯的生長(zhǎng)發(fā)育息息相關(guān)。所含順式作用元件中，最多的是光響應(yīng)元件（671個(gè)），其次是茉莉酸甲酯響應(yīng)元件（185個(gè)）和脫落酸響應(yīng)元件（140個(gè)），其余作用元件除損傷響應(yīng)元件（6個(gè)）和柵欄葉肉細(xì)胞分化響應(yīng)元件（4個(gè)）外，數(shù)量分布范圍在20～68個(gè)之間。不同MePG基因家族成員啟動(dòng)子區(qū)域所含的順式作用元件類型差異較大，大部分MePGs的啟動(dòng)子區(qū)域含有光響應(yīng)元件，表明這些基因可能受到光信號(hào)的調(diào)控，尤其是在光合作用活躍的組織中。茉莉酸甲酯和脫落酸響應(yīng)元件藍(lán)色線條代表木薯和擬南芥、橡膠的共線性PG基因?qū)?，灰色線條表示木薯和擬南芥、橡膠的同源基因。

在MePGs的啟動(dòng)子區(qū)域中非常豐富，表明這些基因可能在木薯逆境響應(yīng)中發(fā)揮重要作用，脫落酸響應(yīng)元件可能在干旱或鹽脅迫條件下調(diào)控MePG基因的表達(dá)。部分MePG基因（如MePG3、MePG20、MePG26等）的啟動(dòng)子區(qū)域含有損傷響應(yīng)元件，表明這些基因可能在機(jī)械損傷或病原體侵染時(shí)被激活，參與細(xì)胞壁的修復(fù)和防御過(guò)程。如赤霉素、生長(zhǎng)素等激素響應(yīng)元件也存在于部分MePG基因的啟動(dòng)子區(qū)域，表明這些基因可能在木薯的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮調(diào)控作用。

2.7""MePG基因表達(dá)模式分析

本研究分析了69個(gè)MePG基因在木薯愈傷組織、體胚、嫩葉、成熟葉、莖、須根、塊根、塊根韌皮部和木質(zhì)部等9個(gè)組織器官中的表達(dá)模式，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)MePGs的表達(dá)譜可將其分為3個(gè)組：A組，21個(gè)基因在大多數(shù)組織中顯示出高表達(dá)水平；B組，37個(gè)基因在特定組織中高度轉(zhuǎn)錄；C組，11個(gè)基因在大多數(shù)組織中顯示出低表達(dá)水平。B組中的MePGs基本只在愈傷組織和體胚中表達(dá)，而A組中的MePG20、MePG72、MePG25、MePG16、MePG21、MePG5等基因在塊根中表達(dá)量較高。此外，MePG15、MePG31為愈傷組織特異表達(dá)基因，MePG8、MePG9、MePG32為體胚特異表達(dá)基因。

目前研究表明PG參與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)分解，木薯塊根采后變質(zhì)中細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化可能與PG家族基因的活性密切相關(guān)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)木薯果膠和PG活性的研究，發(fā)現(xiàn)同時(shí)期PG活性低的木薯細(xì)胞壁可以保留更完整的酯化果膠[16]。

本研究進(jìn)一步對(duì)SC8木薯塊根采后變質(zhì)過(guò)程中MePGs的表達(dá)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：一部分MePGs在采后變質(zhì)中幾乎不表達(dá)；一部分MePGs的表達(dá)量無(wú)明顯變化，如MePG16、MePG65、MePG13和MePG12等；MePG20、MePG21、MePG25、MePG64、MePG72在木薯塊根采后變質(zhì)21"d的表達(dá)量下調(diào)（圖8）。

如圖9所示，選擇8個(gè)時(shí)間段的木薯采后塊根進(jìn)行取樣，在每顆塊根中部選擇大小一致位置作為取樣點(diǎn)，切片并迅速研磨提取RNA?？梢园l(fā)現(xiàn)，SC8木薯整根塊根在采后前3"d的薯塊顏色、硬度以及韌皮部形態(tài)變化不大，3～5"d開始發(fā)生明顯褐化、薯塊變軟等現(xiàn)象。而到14"d，薯塊褐變面積明顯增大。到21"d時(shí)，薯塊褐變顏色加深，薯塊木質(zhì)部出現(xiàn)開裂，薯塊進(jìn)一步變軟。

進(jìn)一步驗(yàn)證MePG在塊根采后變質(zhì)過(guò)程中的表達(dá)模式。選擇MePG20、MePG21、MePG25、MePG64、MePG72進(jìn)行qPCR分析，結(jié)果如圖10所示。在SC8變質(zhì)21"d的過(guò)程中，MePG20基因除第1天有短暫上升外，后面時(shí)間段基本呈下調(diào)的表達(dá)趨勢(shì)，在第2周（7～14"d）的表達(dá)量無(wú)顯著差異，第21天的表達(dá)量最低；MePG21基因在第5天的表達(dá)量升高至最高，之后隨著變質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)其表達(dá)量持續(xù)降低；MePG25基因表達(dá)量在前3"d短暫降低，在5～7"d升高，7"d后其表達(dá)量開始隨著變質(zhì)時(shí)間降低；MePG64基因表達(dá)量隨變質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)降低-升高-降低-升高-迅速降低的變化；MePG72基因在第1天的表達(dá)量升至最高，3"d后降低，然后在第5天升高，后續(xù)隨著變質(zhì)時(shí)間持續(xù)降低。5個(gè)MePG基因的相對(duì)表達(dá)量變化模式與轉(zhuǎn)錄組相符。

3""討論

作為果膠修飾酶的關(guān)鍵成員，植物PG基因家族的功能已受到廣泛關(guān)注。PG基因在植物不同

發(fā)育階段和組織中的表達(dá)模式表明其在細(xì)胞壁水解中發(fā)揮重要作用。本研究在木薯基因組中鑒定出89個(gè)MePG基因家族成員，這些成員在理化性質(zhì)如肽鏈長(zhǎng)度、相對(duì)分子量和等電點(diǎn)等方面表現(xiàn)出顯著差異，與甘薯PG基因家族的研究結(jié)果相似[14]。多種高等植物中均已鑒定出PG基因家族成員，如擬南芥（68個(gè)）、榴蓮（57個(gè)）[13]、甘薯（103個(gè)）[14]、蘋果（85個(gè)）[15]、桃（84個(gè)）[17]、水稻（44個(gè)）[18]、甘藍(lán)（99個(gè)）[19]、小麥（113個(gè)）[20]、蓮霧（25個(gè)）[21]等。系統(tǒng)進(jìn)化分析顯示，木薯與擬南芥、榴蓮、甘薯和桃等的PG基因家族均分為7個(gè)亞族，亞族內(nèi)基因結(jié)構(gòu)和保守基序相似。木薯中PG基因的數(shù)量與蘋果、桃接近，而與甘薯、水稻、小麥、蓮霧等有較大差異，這可能反映了不同植物物種在進(jìn)化過(guò)程中基因復(fù)制事件和環(huán)境適應(yīng)性選擇的影響。

植物激素如水楊酸、脫落酸、赤霉素、生長(zhǎng)素、獨(dú)腳金內(nèi)酯、茉莉酸甲酯等在植物逆境響應(yīng)中起到信號(hào)傳導(dǎo)作用，介導(dǎo)逆境脅迫下的代謝物質(zhì)合成[22]。木薯與榴蓮中PG基因家族啟動(dòng)子含有相似的激素與逆境響應(yīng)元件[13]，推測(cè)多數(shù)PG蛋白能夠?qū)Ψ巧飸?yīng)激做出反應(yīng)，特別是脫落酸和茉莉酸甲酯，作為植物逆境生長(zhǎng)和發(fā)育的重要調(diào)控激素，其順式作用元件在MePG基因家族中非常豐富，表明其可能在調(diào)節(jié)木薯生長(zhǎng)和發(fā)育中發(fā)揮重要作用，并參與抗病過(guò)程[22]。此外，MePG3、MePG20、MePG26、MePG41、MePG55和MePG63的啟動(dòng)子區(qū)域存在損傷響應(yīng)元件，這可能是研究植物機(jī)械損傷和病原體侵染的關(guān)鍵點(diǎn)。本研究關(guān)注的幾個(gè)在木薯采后過(guò)程中表達(dá)量顯著變化的基因如MePG20、MePG21和MePG25等，其啟動(dòng)子區(qū)域富含光響應(yīng)元件、茉莉酸甲酯響應(yīng)元件、脫落酸響應(yīng)元件、低溫響應(yīng)元件以及損傷響應(yīng)元件。這些元件的存在表明木薯PG基因可能在光調(diào)控的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮作用，并在多種逆境脅迫條件下被激活，參與細(xì)胞壁降解和防御機(jī)制。后續(xù)研究應(yīng)該關(guān)注這些基因在逆境脅迫條件下的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，以及其在木薯塊根采后變質(zhì)中的具體功能。

PG家族成員在不同組織部位具有不同的表達(dá)模式，部分基因在采后變質(zhì)過(guò)程中的表達(dá)量呈變化顯著，表明這些PG基因可能響應(yīng)其他生長(zhǎng)機(jī)制的調(diào)控。MePG20、MePG21、MePG25、MePG64、MePG72等基因。在采后變質(zhì)過(guò)程中的表達(dá)量先上升后下降，表明PG酶活性可能在果實(shí)成熟軟化的某個(gè)階段達(dá)到高峰，隨后下降，這與葡萄成熟中的PG活性變化趨勢(shì)相似[23]。這一過(guò)程中涉及到復(fù)雜的激素和酶的相互作用，以及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化。MePGs的表達(dá)變化說(shuō)明其在植物細(xì)胞壁的降解中扮演重要角色，在木薯采后階段響應(yīng)逆境脅迫中起到水解果膠改變細(xì)胞壁的作用。

MePG20、MePG21、MePG25、MePG64、MePG72等基因在采后變質(zhì)過(guò)程中表達(dá)量變化顯著，表明其可能在木薯塊根采后變質(zhì)中起重要作用。qPCR結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這些基因的表達(dá)模式，表明其在木薯塊根細(xì)胞壁軟化和變質(zhì)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

綜上所述，本研究從木薯全基因組中鑒定出89個(gè)MePG基因，并分析其理化性質(zhì)、保守結(jié)構(gòu)域、保守基序、順式作用元件等和其在不同組織部位及塊根采后變質(zhì)過(guò)程的表達(dá)模式。本研究初步認(rèn)定MePG可能在木薯塊根響應(yīng)采后變質(zhì)具有重要作用，為進(jìn)一步研究木薯PG基因?qū)δ婢稠憫?yīng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

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