近日，吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授团队在国际知名期刊《Scientia Horticulturae》（中国科学院二区，TOP期刊，IF：3.9）发表了题为“Unraveling a growth-promoting potential for plants:Genome-wide ifentification  and expression state of the TCP gene family in Juglans mandshurica ”的研究论文。该研究通过生物信息学方法对胡桃楸TCP基因家族成员进行了鉴定和分析，为进一步解析TCP基因的生物学功能奠定了理论基础。

TCP基因家族是一个植物特异性转录因子家族，广泛参与植物生长发育、激素信号转导、生物和非生物胁迫以及防御过程。本研究采用生物信息学方法对胡桃楸TCP基因家族成员进行了鉴定和分析，验证了JmTCP31基因潜在的生物学功能。本研究为解析TCP基因对胡桃楸生长发育调控的分子机制提供了见解，丰富了对植物重要基因家族的认识，并为农业生物技术的潜在应用提供了新的思路。

1.JmTCP基因的鉴定和分析

本研究在胡桃楸基因组中共鉴定出35个TCP基因，根据基因在染色体上的分布将其命名为JmTCP01-JmTCP35（图1）。染色体定位分析显示，35个JmTCP基因不均匀分布在13条染色体上，而在Chr5、Chr12和Chr13上未发现基因。每条染色体上包含的基因数为1 ~ 4个，其中Chr3、Chr4、Chr6和Chr11的基因数量最多，各有4个基因。Chr1、Chr10和Chr15上基因数量最少，各有1个基因。

图1 JmTCP基因在胡桃楸基因组上的染色体定位

2.系统发育树、motif、基因结构和保守结构域分析

利用35个JmTCP和24个拟南芥TCP基因的蛋白序列构建了基于多序列比对的系统发育树，所有JmTCP基因被分为 Class Ⅰ 和 Class Ⅱ 两个亚家族（图2）。本研究在JmTCP基因中共发现了10个motif，在同一亚家族内的基因大多具有相似的motif组成和物理位置。其中，motif 2主要存在于 Class Ⅰ 中，motif 3主要存在于 Class Ⅱ 中，但所有的JmTCP基因均含有motif 1。此外，在所有JmTCP基因中共鉴定出4个保守结构域，分别是TCP2、TCP superfamily、TCP24和TCP（图3）。

图2 胡桃楸和拟南芥TCP基因的系统发育树

图3 JmTCP基因motif、基因结构和保守结构域

3.共线性分析

为进一步阐明JmTCP基因在进化过程中可能发生的复制事件，本研究对胡桃楸物种内和物种间的共线性进行了比较分析。所有JmTCP基因中，共鉴定出28个共线基因对，很多JmTCP基因与其他染色体上的基因存在共线关系（图4）。此外，胡桃楸与核桃、山核桃、拟南芥、水稻、番茄和葡萄间分别含有86、90、40、15、60和57个共线基因对（图5）。

图5 JmTCP基因与核桃、山核桃、拟南芥、水稻、番茄和葡萄基因组间的共线

4.JmTCP31基因功能验证

基于前期转录组测序数据中的基因注释信息和表达量，筛选与生长发育相关的JmTCP31基因进行功能验证。PCR结果显示，JmTCP31基因成功转入到烟草中。与野生型相比，转基因烟草生长速度快、开花时间明显缩短，叶绿素和类胡萝卜素含量明显升高（图6）。转基因烟草POD、SOD、CAT、脯氨酸、丙二醛含量均显著高于野生型，说明转基因烟草可能具有更强的适应性和抗逆性，能够在不同的生长条件下保持较好的生长（图7）。

图6 JmTCP31转基因烟草的鉴定

图7 JmTCP31转基因烟草生理指标的测定

5.总结

本研究首次全面解析了胡桃楸TCP基因家族，共鉴定出35个JmTCP基因。通过系统发育树、保守结构域、基因结构、motif、共线性、顺式作用元件、蛋白互作网络分析和基因功能验证，揭示了TCP基因在胡桃楸生长发育过程中潜在的调控机制，为进一步了解这一植物重要基因家族提供了新的思路，并为今后农业生物技术和基因工程的发展奠定了基础。

本论文通讯作者为吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授，第一作者为博士研究生李岩。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scienta.2024.113852.