生物技术通报 | 葡萄苹果酸脱氢酶MDH基因家族鉴定及VvMDH10基因功能分析

发布时间：

2026-07-08

来源：

葡萄研究

葡萄苹果酸脱氢酶MDH基因家族鉴定及VvMDH10基因功能分析

高亮，崔鑫源，刘名原，韩蕾

DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2025-0661

葡萄（Vitis vinifera L.）是一种在全球范围内广泛种植的重要经济果树，不仅可以直接食用，还可用于酿酒、制汁、制干等加工产业。然而，在葡萄的生长过程中，常常会受到各种逆境胁迫，如低温、干旱、盐碱以及病原菌的侵害，影响葡萄的产量和品质。因此，深入研究葡萄的抗逆分子机制，挖掘与抗逆相关的基因资源，对于培育具有优良抗逆性的葡萄新品种具有重要意义。

苹果酸（malate）是三羧酸循环中重要中间产物。苹果酸脱氢酶（MDH）广泛存在于动物、植物和微生物中，其以NAD⁺/NADP⁺为辅因子，催化苹果酸与草酰乙酸的可逆转化。NAD-MDH主要存在于线粒体中，参与三羧酸循环，为细胞提供能量和碳骨架；NADP-MDH主要存在于叶绿体中，参与光合作用中的C₄和景天酸代谢途径，调节CO₂浓度和光合效率。多项研究表明，高等植物的MDH基因家族在能量代谢、呼吸作用、活性氧代谢及植物抗逆性过程中发挥重要作用。目前，已在拟南芥、番茄、玉米、小麦、水稻、土豆、花生、棉花、杨树、杉树和苹果等多个物种中对MDH基因进行全基因组鉴定或功能分析。多项研究综合表明，MDH基因在不同物种进化过程中发生了功能分化，因此对不同物种的MDH基因进行研究，有利于丰富和完善MDH的功能研究。

近日，《生物技术通报》在线发表了题为《葡萄苹果酸脱氢酶MDH基因家族鉴定及VvMDH10基因功能分析》的文章。本研究从葡萄基因组中鉴定MDH家族基因，并对各基因的蛋白理化性质、基因同源性、染色体位置、保守基序（motif）、基因结构和启动子区域等进行分析。结合干旱和盐碱胁迫处理下的表达分析，将受干旱诱导显著上调的基因VvMDH10异源过表达拟南芥，探究其参与调节植株抗旱性的功能，为葡萄抗旱遗传改良提供基因资源。

本文主要包括以下几部分内容：

1 材料与方法

1.1 材料

1.2 方法

2 结果

2.1 VvMDH基因理化性质及染色体定位分析

2.2 VvMDH基因系统发育分析

2.3 VvMDH基因结构及蛋白保守基序分析

2.4 VvMDH基因顺式作用元件分析

2.5 VvMDH基因在不同组织中的表达模式分析

2.6 VvMDH基因在干旱和盐碱胁迫处理下的表达模式分析

2.7 VvMDH10基因在拟南芥中过表达分析

2.8 过表达VvMDH10增强拟南芥植株抗旱能力

3 讨论

4 结论

有机酸普遍存在于所有植物中，不同的植物种类、相同植物不同的发育阶段和不同的组织类型，其体内有机酸的种类及积累量存在差异。苹果酸是葡萄中最主要的有机酸之一，在体内参与多种生物学功能。苹果酸脱氢酶（MDH）基因介导苹果酸向草酰乙酸的可逆转化，在能量平衡、植物发育和耐盐性中起着至关重要的作用。研究显示，植物MDH基因在应对寒冷、盐胁迫、低磷胁迫、锰毒害及铝毒等非生物胁迫中起着重要作用，但干旱和盐碱胁迫下的MDH基因家族尚未得到系统的研究。

本研究对葡萄MDH基因家族成员进行基因组鉴定、理化性质分析、染色体定位、基因结构及保守基序（Motif）分析、启动子区顺式作用元件分析等详细的生物信息学分析。共鉴定出11个VvMDH基因。该家族基因与拟南芥MDH蛋白构建系统发育树后聚类模式一致，表明两者亲缘关系可能较近。VvMDH基因间外显子总数差异较大，第I组基因（VvMDH7和VvMDH10）只含有1个外显子，这与番茄和杨树中的结果一致。

VvMDH基因存在组织特异性表达，在葡萄营养部位（根、茎、叶和卷须）表达的MDH多于在生殖器官（花和果实）中的，MDH在葡萄不同组织的表达暗示其在植物生长发育中具有不同的功能。特别是VvMDH2仅在叶片中特异性表达，同时亚细胞定位显示该蛋白定位于叶绿体中，表明该基因可能参与葡萄叶片叶绿体苹果酸脱氢酶功能的行使。

植物受到干旱、盐碱等非生物胁迫时，体内会产生H₂O₂、O₂^-和OH^-等活性氧（ROS），细胞能够启动酶促系统或非酶促系统清除ROS。本研究结果显示，3个MDH（VvMDH3/8/10）的表达受到干旱胁迫的诱导，这与顺式作用元件分析结果一致。大多数VvMDH基因的表达受到盐胁迫的诱导，这与水稻、番茄及杨树中的结果一致。此外，VvMDH1/2/5/11还受碱及盐碱复合处理的诱导，其他物种中的MDH是否能够响应碱胁迫，还有待进一步验证。过量表达VvMDH10增强拟南芥植株的抗旱能力，表现为与野生型相比，叶片失水率降低，干旱胁迫后生物量较高。这与苹果中的结果一致，干旱处理9 d后，苹果MdmMDH-RNAi转基因植株叶片的相对含水量明显低于野生型。干旱处理后，转基因拟南芥体内MDA、SOD、POD、CAT等与抗旱及活性氧清除相关的指标均增强，这与过量表达苹果MDH能够增强转基因愈伤的SOD和CAT活性一致。多个花生MDH基因的表达受到锰胁迫的诱导，植物受到锰毒害后体内抗氧化相关酶活增强。VvMDH10可能催化产生的NAD⁺，进入叶绿体等细胞器，通过转氢作用间接促进NADPH的生成。NADPH是植物核心抗氧化系统——抗坏血酸‒谷胱甘肽循环必需的还原力来源，该循环中的关键酶如单脱氢抗坏血酸还原酶（MDHAR）等直接依赖NADPH。充足的NADPH能保障抗坏血酸和谷胱甘肽处于还原态，使整个循环高效运转，及时清除干旱胁迫下过量积累的活性氧，保护膜脂、蛋白质和核酸免受氧化。拟南芥MDH敲除突变体ROS积累显著增强。苹果MdcyMDH转录水平受到轻度冷和盐处理诱导，过表达该基因的苹果植株相比野生型呈现出更强的耐寒性和耐盐性，并且过表达转基因植株在正常及胁迫条件下（尤其是胁迫条件下）体内抗坏血酸、谷胱甘肽、H₂O₂和水杨酸含量增加，表明MdcyMDH通过增强还原型氧化还原态并提升水杨酸水平，赋予转基因苹果植株更高的胁迫耐受性，而本文过量表达VvMDH10也能够提高转基因拟南芥的抗氧化酶活性，其两者的内在机制可能类似，但还需进一步试验验证。以上结果表明，VvMDH10可能通过活性氧信号调节植物对干旱的响应，下一步将利用转录组学和代谢组学，鉴定转基因植株中关键活性氧靶向的离子通道或调控蛋白，进一步揭示VvMDH10参与活性氧信号与其他信号分子（如ABA，Ca²⁺）的互作网络。

从葡萄基因组中鉴定出11个MDH基因，不均匀地分布在9条染色体上，共分为5个亚家族。多个VvMDH基因的表达受到干旱和盐碱胁迫的诱导，过量表达VvMDH10能够提高转基因拟南芥植株抗旱性。

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