小麦是重要粮食作物，土壤镉污染严重影响小麦品质，提高小麦植株对镉胁迫的抗性、减少小麦籽粒中的镉含量对保障食品安全至关重要。因此，在小麦中筛选与镉胁迫相关的基因并探索其分子调控机制具有重要的理论和实际意义。近日，International Journal of Biological Macromolecules发表了题为“Genome-wide identification of SAP family genes and characterization of TaSAP6-A1 to improve Cd tolerance in Triticum aestivum L.”的研究论文。该研究对小麦中SAP基因家族进行全基因组鉴定并验证了TaSAP6-A1可提高小麦对镉的耐受性，同时筛选互作蛋白，为小麦中SAP基因的功能研究奠定基础，为耐镉品种的分子育种提供重要遗传资源。![]()
1.小麦SAP基因家族鉴定
胁迫相关蛋白（stress associated proteins, SAP）是含有A20/AN1锌指结构域的蛋白，在植物中主要参与逆境胁迫响应。在拟南芥、水稻和小麦的基因组数据库中共筛选出131个SAP基因，基于C末端A20，可将这些基因分为两类（图1）。其中小麦SAP基因主要分布在2号染色体组（24个基因），4号染色体组上未检测到SAP基因（图2）。![]()
图1 SAP基因家族系统发育树
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图2 TaSAP基因在小麦染色体上的分布
2. TaSAP表达模式分析
分析干旱、高温和盐胁迫下的转录组数据，发现TaSAP6-A1、TaSAP6-B1、TaSAP6-D1、TaSAP7-A2和TaSAP7-D2基因在高温和干热胁迫下表达水平显著上调，在盐胁迫下表达水平显著下调（图3）。分析百农207（WT）及其突变体（M）受镉胁迫48 h时SAP基因的表达水平，发现TaSAP6-A1、TaSAP6-D1、TaSAP5-D5、TaSAP6-B1、TaSAP7-D2、TaSAP7-B2和TaSAP7-A2基因在百农207和突变体中的表达量显著上调；TaSAP5-B2、TaSAP5-D2、TaSAP5-A2、TaSAP7-A1、TaSAP7-B1和TaSAP7-D1基因在百农207和突变体中的表达量显著下调。以百农207为材料，通过RT-qPCR检测0.2 mM镉胁迫24h下TaSAP6-A1、TaSAP6-B1、TaSAP6-D1、TaSAP7-A2和TaSAP7-D2基因的表达水平，结果除TaSAP7-D2表达下调外，其他基因均表现出更高的表达水平，其中TaSAP6-A1的表达水平提高了约3倍，因此进一步对TaSAP6-A1进行功能分析（图4）。
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图3 TaSAP基因在多种非生物胁迫下的表达水平
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图4 TaSAP基因在镉胁迫下的表达水平分析
3. TaSAP6-A1提高小麦对镉的耐受性
在镉敏感酵母突变体ycf1中，TaSAP6-A1的异源表达使酵母细胞在含25 μM或50 μM的镉培养基中生长更好，生长速率更快，结果表明TaSAP6-A1可能是小麦耐受镉的关键候选蛋白。
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图5 TaSAP6-A1在转化的酵母细胞中对镉转运活性的测量
利用大麦条纹花叶病毒诱导的基因沉默系统（BSMV-VIGS）下调TaSAP6-A1的表达以验证其功能，结果发现与野生型相比，BSMV:TaSAP6-A1小麦植株在镉胁迫下表现更矮小，叶尖更黄，籽粒的粒宽、粒长和千粒重显著降低，各组织镉含量均降低。
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图6 TaSAP6-A1基因沉默后小麦表型分析
为进一步研究TaSAP6-A1对小麦镉耐受性的影响，构建了TaSAP6-A1过表达小麦株系，结果发现与野生型相比，镉胁迫下过表达株系的籽粒、根和茎等组织的镉含量和千粒重更高，表明TaSAP6-A1增强了镉胁迫耐受性。![]()
图7 TaSAP6-A1基因过表达小麦株系的表型分析
4. TaSAP6-A1与TaPAL的相互作用
以TaSAP6-A1为诱饵，对小麦cDNA文库进行筛选，发现TaPAL可以与TaSAP6-A1相互作用，Y2H和BiFC实验进一步证实了TaSAP6-A1和TaPAL间的相互作用，且相互作用发生在细胞膜。![]()
图8 TaSAP6-A1与TaPAL相互作用
总结
胁迫相关蛋白（SAPs）在植物应对多种非生物胁迫（如寒冷、盐碱、干旱、重金属等）中有重要作用，然而关于SAP基因在小麦耐镉性中的作用报道较少。该论文从多方面对小麦SAP基因家族进行研究，包括基因鉴定、系统发育分析、染色体定位、共线性分析、表达模式分析，重点研究TaSAP6-A1基因在镉耐受性的功能及互作蛋白。该研究为SAP基因家族的功能和分子机制研究提供参考，为小麦耐镉品种的分子育种提供遗传资源，有助于深入理解小麦对镉胁迫的响应机制。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.137415
