菜籽（Brassica napus L.）全基因组鉴定与扩张素基因家族表达分析

这对日常作物为何重要

油菜（亦称菜籽油菜）是世界上最重要的油料作物之一，提供食用油和饲料。然而，其产量易受高温、低温、干旱和涝渍等胁迫威胁。本研究深入考察了一大类帮助细胞松弛并生长的植物蛋白，探讨它们在油菜中的分布结构以及在植物遭受胁迫时的响应。理解这些生长辅助因子，最终可为育种者指明培育更耐逆、更高产品种的方向。

让细胞生长的“细胞壁软化者”

植物细胞被刚性的细胞壁包围，必须松弛才能实现生长。扩张素蛋白像细小的楔子作用于细胞壁，帮助细胞在内部压力推动下伸展。它们还参与种子萌发、根伸长、果实软化以及对逆境的响应。在拟南芥等模式植物以及水稻、大豆等作物中的既有研究表明，改变扩张素活性可影响植株高度、根系形态以及耐盐耐旱性。但直到目前，油菜中完整的扩张素工具箱尚未被系统绘制。

油菜中扩张素工具箱的编目

研究者扫描了一种常用油菜品种的参考基因组，鉴定出127个扩张素基因。这些基因归属于四个亚组，这些亚组在其他植物中也有报道。大多数基因属于最大的EXPA组，较小的则分布在EXPB以及两个“类扩张素”组。团队分析了这些蛋白的基本性质、共有结构域以及这些基因在19条油菜染色体上的分布。许多基因具有相似的结构和保守序列基序，表明在进化过程中高度保守。

这些基因如何通过进化被复制并保存

通过比较油菜基因组内对应区域，以及油菜、拟南芥和烟草之间的同源关系，作者追踪了扩张素家族的扩张过程。结果显示，大多数相关基因对源于大规模片段重复事件，这是被子植物古代全基因组加倍常见的结果。DNA变化速率的测定表明，这些复制基因受到净化选择的维持，即有害突变被清除。许多油菜扩张素仍可与拟南芥和烟草中的对应基因匹配，暗示它们可能在不同物种中控制相似性状。

扩张素基因在何处与何时被激活

为了解这些基因可能的功能，团队挖掘了公开的RNA数据，跟踪多种油菜组织和若干胁迫处理下的基因表达。大多数扩张素基因在至少一种组织中被激活，但各亚组表现出不同的表达模式。EXPA基因在几乎所有器官中占主导地位，包括根、茎、花、荚和种子。一个小的EXLA组在种子中尤为活跃，提示其在种子为萌发做准备方面的作用。另一个EXLB组主要在遭受盐胁迫和渗透胁迫的根部中表现突出，表明其可能帮助根系适应不良土壤条件。

聚焦应激响应基因

随后，作者挑选了八个调控区富含应激相关顺式元件的扩张素基因，在冷、热和干旱处理后测定它们在根、茎和叶中的表达。有些基因如BnaEXPA7、BnaEXPA73和BnaEXPA81在特定胁迫下表达上调，常见于根或叶，这与其含有多种应激响应调控元件一致。另一些基因如BnaEXPA34、BnaEXPA41、BnaEXPA72、BnaEXPA77和BnaEXPA84在正常条件下表达较高，但在胁迫下表达下降。总体来看，这些模式表明不同扩张素要么帮助植物发起应对，要么在环境恶化时降低生长活性。

对未来油菜育种的意义

这项工作构建了油菜中所有扩张素基因的详尽图谱，描述了它们的组织架构及在组织和胁迫条件下的行为。对于非专业读者，关键结论是油菜携带一套数量庞大且精细调节的细胞壁松弛蛋白，这些蛋白既能支持生长，也能在环境变得不利时帮助植株应对。通过明确哪些基因响应低温、高温、干旱或盐碱土壤，该研究为未来旨在培育在恶劣气候和土壤条件下仍能稳定生长并高产的油菜品种的育种或分子改良工作奠定了基础。

引用: Luo, W., Zhang, J., Zhang, H. et al. Genome-wide identification and expression analysis of the expansin gene family in Brassica napus L. Sci Rep 16, 15918 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46606-7

关键词: 油菜, 扩张素基因, 植物胁迫, 根系生长, 油料作物