《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide analysis of the GPAT gene family in wheat and the potential roles of TaGPAT58 and its homologs in male reproductive development
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本研究系統鑒定了小麥中64個GPAT基因，揭示了其家族擴增、進化及組織特異性表達模式，并首次通過VIGS沉默實驗證實TaGPAT58及其同源基因在花粉發育和雄性育性中起關鍵作用，為小麥雜交育種中雄性不育機制的解析提供了重要分子依據。
本研究首次對小麥中的甘油-3-磷酸酰基轉移酶(GPAT)基因家族進行了全基因組范圍內的系統分析。研究人員利用生物信息學方法，在普通小麥中共鑒定出64個TaGPAT基因，并分別在其祖先物種Aegilops tauschii、Triticum dicoccoides、Triticum turgidum和Triticum urartu中鑒定出21、44、41和17個GPAT基因。根據系統發育關系，這些基因被分為三個進化枝（Clade），其中Clade III成員數量最多，并可進一步細分為兩個亞枝。基因結構和保守基序分析表明，同一進化枝內的基因成員具有相似的基序分布和基因結構，而不同進化枝之間則存在顯著差異。
進化與復制分析指出，片段重復是驅動小麥GPAT基因家族擴張的主要力量。對復制基因對的同義替換率(Ks)和非同義替換率(Ka)分析顯示，所有基因對的Ka/Ks比值均小于1，表明該基因家族在進化過程中經歷了強烈的純化選擇。此外，通過比較小麥與其祖先物種以及水稻之間的共線性關系，進一步闡明了該基因家族在禾本科植物中的進化歷程。
啟動子順式作用元件分析揭示，所有TaGPAT基因的啟動子區域均含有豐富的激素響應元件（如茉莉酸甲酯(MeJA)和脫落酸(ABA)響應元件）、光響應元件以及與非生物脅迫響應相關的元件，暗示這些基因的表達可能受到多種內外信號的復雜調控。
基因本體(GO)注釋分析表明，大多數TaGPAT基因與脂質生物合成過程密切相關，尤其是角質(cutin)生物合成和CDP-二酰甘油(CDP-diacylglycerol)生物合成過程。同時，部分基因被注釋到與花發育、花粉精細胞分化和配子體發育相關的條目，提示其可能參與植物的生殖發育。
表達譜分析顯示，TaGPAT基因在不同組織和生殖發育階段表現出多樣化的表達模式。部分基因在根、籽粒或穗中優勢表達，而另一些基因則在減數分裂的關鍵時期達到表達峰值。研究人員利用實驗室創建的溫度敏感型雄性不育小麥系YS3038，進一步探究了TaGPAT基因與育性轉換的關系。定量實時熒光PCR(qRT-PCR)分析發現，在可育條件下，TaGPAT58在花粉三核期的花藥中特異性高表達，而在不育條件下其表達量顯著降低。
為明確TaGPAT58的亞細胞定位，研究將其編碼序列與EGFP標簽融合，并在小麥原生質體中瞬時表達。共聚焦顯微鏡觀察結果顯示，TaGPAT58-EGFP融合蛋白的信號與內質網(ER)標記蛋白信號高度重疊，表明TaGPAT58定位于內質網。
為驗證TaGPAT58的功能，研究采用大麥條紋花葉病毒介導的病毒誘導基因沉默(BSMV-VIGS)技術，在可育條件下的小麥中對TaGPAT58進行沉默。結果顯示，與陰性對照相比，基因沉默植株的花粉數量顯著減少，花粉形態異常（表現為染色淺、皺縮或不規則形狀），且種子結實率從約78%急劇下降至近乎為零（0.04%）。由于TaGPAT58與其兩個同源基因TaGPAT55和TaGPAT56具有極高的序列相似性，VIGS實驗同時導致了這三個基因表達水平的顯著下降。這表明TaGPAT58及其同源基因對小麥正常花粉發育和雄性育性的維持是不可或缺的。
綜上所述，本研究系統解析了小麥GPAT基因家族的組成、進化、表達特征和潛在功能，并通過功能驗證首次揭示了TaGPAT58及其同源基因在小麥雄性生殖發育中的關鍵作用。這為深入理解小麥雄性不育的分子機制，以及利用雄性不育系開展雜交育種提供了重要的理論依據和候選基因資源。未來需要通過創制穩定突變體等更深入的功能研究，來進一步闡明TaGPAT58調控小麥雄性育性的具體分子通路和代謝過程。
