楸树NAC基因家族鉴定及低温胁迫响应关键基因筛选

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2026.03.005

植物研究 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3): 434-448.doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2026.03.005

楸树NAC基因家族鉴定及低温胁迫响应关键基因筛选

包平安¹^,²^,³, 刘帛鑫¹^,²^,³, 何雅馨¹, 付鹏跃¹^,²^,⁴, 余硕¹^,²^,³, 孙敬爽²^,³, 麻文俊²^,⁴, 曲冠证¹, 王军辉²^,⁴, 胡瑞阳²^,³()

^1.东北林业大学林学院，哈尔滨 150040
^2.林木遗传育种全国重点实验室，中国林业科学研究院，北京 100091
^3.中国林业科学研究院华北林业实验中心，北京 102300
^4.中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091

收稿日期:2026-01-25 出版日期:2026-05-20 发布日期:2026-05-29
通讯作者: 胡瑞阳 E-mail:hury@caf.ac.cn
作者简介:包平安（2001—），男，硕士研究生，主要从事楸树杂交育种及新品种选育研究。
第一联系人：#同等贡献作者。
基金资助:
2024年推进北京园林绿化高质量发展科技创新专项(KJCXLM202410)

Identification of NAC Gene Family and Screening of Cold Stress-Responsive Genes in Catalpa bungei

Pingan BAO¹^,²^,³, Boxin LIU¹^,²^,³, Yaxin HE¹, Pengyue FU¹^,²^,⁴, Shuo YU¹^,²^,³, Jingshuang SUN²^,³, Wenjun MA²^,⁴, Guanzheng QU¹, Junhui WANG²^,⁴, Ruiyang HU²^,³()

^1.College of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040
^2.State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091
^3.Experimental Center of Forestry in North China，Chinese Academy of Forestry，Beijing 102300
^4.Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091

Received:2026-01-25 Online:2026-05-20 Published:2026-05-29
Contact: Ruiyang HU E-mail:hury@caf.ac.cn

1. 第5篇-包平安(附表).pdf(307KB)

摘要/Abstract

摘要：

NAC转录因子（NAM，ATAF，and CUC transcription factors）是植物特有的转录调控因子，广泛参与植物的生长发育及非生物胁迫响应过程。为系统解析楸树（Catalpa bungei）NAC基因家族的分子演化特征及其在低温胁迫下的分子调控机制，本研究基于楸树全基因组测序数据，系统鉴定了楸树NAC基因家族成员，并深度剖析了其理化性质、系统发育拓扑结构、基因结构保守性、启动子顺式作用元件分布特征、低温响应的基因表达模式并进行了加权基因共表达网络分析（WGCNA）。结果表明：楸树基因组中共鉴定出65个CbuNAC基因，依据系统发育演化关系可将其划分为4个高度保守的亚家族。染色体定位显示，这些成员非均匀地锚定在16条染色体上，呈现出显著的簇状分布模式。基因结构与保守基序分析表明，同一亚家族成员在内含子/外显子排布及蛋白质Motif组成上表现出高度一致性，这不仅印证了系统发育分类的可靠性，更反映出亚家族内部潜在的功能冗余与进化分化特征。共线性分析证实，片段复制事件是楸树NAC基因家族规模扩张与演化分化的主导力量，而非串联复制。低温胁迫时间序列转录组分析揭示，CbuNAC15、CbuNAC30与CbuNAC36基因在低温胁迫下表达呈显著上调，展现出强烈的且具有时序差异的低温响应特异性。结合WGCNA进一步证实，这3个核心基因不仅协同调控经典的ICE1-CBF抗寒信号通路，还与渗透调节及激素代谢下游效应基因紧密联动。本研究探究了楸树NAC基因家族的基因组学特征，精准锚定了3个极具育种价值的抗寒关键基因，为深入挖掘林木非生物逆境适应性机制及开展分子标记辅助育种提供了坚实的理论支撑与靶标资源。

关键词: 楸树, NAC基因家族, 低温胁迫, 表达模式, 基因鉴定

Abstract:

NAC（NAM， ATAF， and CUC） transcription factors are plant-specific transcriptional regulators that play crucial roles in plant growth， development， and responses to abiotic stresses. To systematically characterize the molecular evolutionary features of theNAC gene family in Catalpa bungei and elucidate its regulatory mechanisms under cold stress， NAC gene family members were comprehensively identified based on the whole-genome sequence of C. bungei. Comprehensive analyses were performed， including physicochemical properties， phylogenetic topology， gene structure conservation， cis-acting elements in promoter regions， cold-responsive expression patterns， and weighted gene co-expression network analysis（WGCNA）. The results demonstrated that a total of 65 CbuNAC genes were identified in the C. bungei genome and classified into four highly conserved subfamilies based on phylogenetic analysis. Chromosomal mapping revealed that these genes were unevenly distributed across 16 chromosomes， displaying a distinct clustered distribution pattern. Gene structure and conserved motif analyses indicated that members within the same subfamily exhibited highly similar intron-exon organization and conserved motif composition，which not only supported the reliability of the phylogenetic classification but also implied potential functional redundancy and evolutionary divergence within subfamilies. Collinearity analysis indicated that segmental duplication， rather than tandem duplication， was the predominant driving force for the expansion and evolutionary divergence of the CbuNAC gene family. Time-series transcriptome analysis under cold stress revealed that CbuNAC15， CbuNAC30， and CbuNAC36 were significantly upregulated， exhibiting strong and temporally dynamic responses to low-temperature stress. Furthermore， WGCNA revealed that the three core genes not only coordinately regulated the classical ICE1-CBF cold-signaling pathway but were also closely associated with downstream genes involved in osmotic adjustment and hormone metabolism. In summary， this study systematically characterized the genomic features of the NAC gene family in C. bungei and identified three key candidate genes associated with cold-tolerance， thereby providing valuable theoretical insights and candidate targets for elucidating abiotic stress adaptation mechanisms in woody plants and advancing marker-assisted breeding.

Key words: Catalpa bungei, NAC gene family, low-temperature stress, expression pattern, gene identification

中图分类号:

Q949.777.9

包平安, 刘帛鑫, 何雅馨, 付鹏跃, 余硕, 孙敬爽, 麻文俊, 曲冠证, 王军辉, 胡瑞阳. 楸树NAC基因家族鉴定及低温胁迫响应关键基因筛选[J]. 植物研究, 2026, 46(3): 434-448.

Pingan BAO, Boxin LIU, Yaxin HE, Pengyue FU, Shuo YU, Jingshuang SUN, Wenjun MA, Guanzheng QU, Junhui WANG, Ruiyang HU. Identification of NAC Gene Family and Screening of Cold Stress-Responsive Genes in Catalpa bungei[J]. Bulletin of Botanical Research, 2026, 46(3): 434-448.

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楸树NAC基因家族鉴定及低温胁迫响应关键基因筛选

Identification of NAC Gene Family and Screening of Cold Stress-Responsive Genes in Catalpa bungei

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