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甘蔗 (Saccharum spp.) 是一种高光效的C4作物，作为主要糖料作物，在我国食糖生产中占据重要地位。然而，甘蔗在种植生产过程中常遭受生物和非生物逆境胁迫的影响，极大程度制约了我国甘蔗产业的良性快速健康发展。因此，培育兼具高产高糖性状和强抗逆性的甘蔗新品种势在必行。挖掘并鉴定甘蔗抗逆基因，一方面，不仅能丰富甘蔗抗逆生物学研究的内涵，还可以为应对逆境对甘蔗生产的影响提供新思路与新策略；另一方面，还有望将所获得的抗逆基因资源应用于甘蔗抗逆的基因工程育种。

醛脱氢酶 (aldehyde dehydrogenases，ALDHs) 是一类依赖于NAD(P)+的酶，鉴于其具有将醛氧化成羧酸的功能，能够有效清除植物体内多余的醛类物质，缓解或解除醛类物质的危害，在植物响应逆境胁迫过程中发挥重要作用。迄今，甘蔗中尚未见有关ALDH基因的进化和功能研究报道。

2021年12月3日，福建农林大学阙友雄/许莉萍团队在国际学术期刊Environmental and Experimental Botany（IF=5.545） 在线发表了题为“A comprehensive survey of the aldehyde dehydrogenase gene superfamily in Saccharum and the role of ScALDH2B-1 in the stress response”的研究论文。该研究聚焦甘蔗ALDH基因超家族的挖掘、分类、进化、结构特征、互作网络和表达模式等开展研究。该研究还鉴定了一个ScALDH2B-1基因，揭示了过表达该基因可能通过影响过敏反应相关基因的表达、叶片H2O2含量积累以及细胞坏死，从而调控植物对病原菌侵染的防御反应。最后，提出了甘蔗ALDH蛋白功能作用的机制模式。该研究将有助于深入解析甘蔗ALDH基因超家族进化趋势、功能分化模式及生物和非生物胁迫响应机制。

本研究在甘蔗栽培种R570和割手密中分别鉴定14个和70个ALDH基因，可以被分别划分到8个和10个ALDH家族 （图1A） 。共表达网络显示，这些ALDH蛋白通过参与脯氨酸、γ-氨基丁酸和赖氨酸的代谢，响应逆境胁迫 （图1B） 。RNA-seq和qRT-PCR分析表明，ALDH基因在不同甘蔗组织中组成型表达，并在应对黑穗病菌、干旱和寒冷胁迫中发挥作用 （图1CDE） 。

图1 甘蔗ALDH基因超家族的分类、结构特征、互作网络及表达特性

此外，作者还鉴定了一个ScALDH2B-1基因，其所编码的ScALDH2B-1蛋白包含一个谷氨酸结合位点 (LELGGKSP) 、一个半胱氨酸结合位点 (FFNQGQCCCAGS) 和一个与NAD+结合的基序 (FTGST)（图2A） 。在黑穗病菌、ABA、PEG和4℃胁迫下，ScALDH2B-1呈现不同的表达模式 （图2B） ，同时ScALDH2B-1的表达能够增强大肠杆菌BL21细胞的耐盐性 （图2C） 。进一步研究发现，ScALDH2B-1基因可能通过调控过敏反应相关基因的表达，并诱导细胞程序性死亡，从而抵御病原菌的侵染 （图2D） 。

图2 甘蔗 ScALDH2B-1基因编码蛋白的氨基酸结构和功能分析

最后，作者构建了甘蔗ALDHs功能的作用机制模型 （图3） 。以上研究不仅有助于我们加强理解甘蔗ALDH基因超家族的进化和功能，也为深入解析其在生物和非生物胁迫下的功能积累了数据，并奠定了一定的基础。

图3 甘蔗ALDHs蛋白的功能作用及其机制

福建农林大学农学院博士毕业研究生苏炜华为该论文的第一作者；福建农林大学农业农村部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室、国家甘蔗工程技术研究中心/农学院阙友雄研究员为该论文通讯作者，许莉萍研究员、苏亚春副研究员及尤垂淮老师也参与了该项工作。福建农林大学农学院在读研究生张畅、王东姣、张婧、藏守建、邹文会、以及毕业生任永娟参与研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省杰出青年科学基金和国家糖料产业技术体系等项目的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0098847221003555