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丹参（Salvia miltiorrhiza）受环境压力和栖息地减少威胁，其热激转录因子（HSFs）研究不足。研究人员开展丹参 HSF 基因全基因组分析，鉴定出 34 个基因，发现其在进化和应激反应中的规律。该研究为提升丹参抗逆性奠定基础。
在神奇的植物世界里，丹参是一种极具价值的 “宝藏植物”。它属于唇形科鼠尾草属，在中国，其干燥的根和根茎常用于治疗心血管和脑血管疾病，药效显著。丹参能发挥这些功效，得益于其体内丰富的生物活性化合物，像水溶性酚酸和脂溶性丹参酮，它们有着抗氧化、抗肿瘤、抗菌等多种药理作用。
然而，随着全球气候变化，大气中 CO?浓度不断上升，气温持续升高，丹参的可持续种植面临巨大挑战。野生资源日益枯竭，人工种植的丹参品质也逐渐下降。在这样的困境下，提高丹参对环境压力的适应能力变得刻不容缓。热激转录因子（HSFs）在植物应对环境压力时起着关键作用，尤其是在应对高温等逆境方面。但此前，丹参中 HSF 基因家族的研究还很匮乏，这就像在黑暗中摸索，急需一道光来照亮前行的路。
为了深入了解丹参 HSF 基因家族的奥秘，研究人员踏上了探索之旅。他们利用重新注释的高质量丹参参考基因组，开展了全基因组分析研究。最终，他们取得了一系列重要成果，相关研究发表在《Climate Smart Agriculture》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，从多个数据库获取丹参及其他植物的基因组数据，利用隐马尔可夫模型（HMM）和 BLAST 等工具进行序列检索与预处理。为了更精准地预测丹参中的 HSF 基因，他们开发了 HBIAM 方法，综合多种技术进行基因预测。之后，通过 MUSCLE、MAFFT 等软件进行序列比对，构建系统进化树分析基因间的进化关系。同时，借助多种软件对基因的结构、保守基序、染色体定位、基因复制等进行全面分析，还利用 RNA-seq 技术研究基因在不同处理下的表达模式 。
研究结果
- HSF 蛋白的鉴定：研究人员利用 HBIAM 方法，以 Pfam 数据库的 HSF DBD 的 HMM 模型和拟南芥 HSF 蛋白序列为参考，在丹参基因组中鉴定出 34 个假定的 HSF 蛋白。同时，在其他 5 种代表性植物中也预测并验证了 119 个 HSF 基因。
- HSF 基因的系统进化分析：构建邻接法（NJ）和最大似然法（ML）系统进化树，根据拟南芥等物种的进化研究和分类标准，将丹参的 HSF 基因分为 A、B、C 三类，其中 A 类又细分为 9 个组，B 类分为 5 个组，C 类只有 1 个组。A 类基因数量最多，C 类最少。
- HSF 基因的序列特征：分析发现，多数丹参 HSF 基因外显子数量少，通常为两个。同一进化组内的基因外显子 - 内含子结构相似。除了 DBD 结构域，部分蛋白 C 端还有少量其他结构域。研究还鉴定出 24 个保守基序，不同类和组的 HSF 蛋白基序分布不同，但组内相对保守。此外，在基因上游区域检测到 11 个顺式作用元件，可能参与激素响应和环境应激反应的调控。
- HSF 基因的染色体定位和基因复制：34 个 HSF 基因不均匀分布在 8 条染色体上，部分基因未分配到染色体。研究确认了 13 个片段复制事件，涉及 20 个 HSF 基因。计算复制基因对的 Ka/Ks 比值均小于 1，表明这些基因受到强烈的纯化选择。通过比较丹参与其他 5 种植物的共线性分析，发现不同植物间存在大量的直系同源 HSF 基因对。
- 干旱胁迫和 SA 诱导下丹参 HSF 基因的表达：分析公开的 RNA-seq 数据发现，所有 34 个 HSF 基因在转录水平均有表达。干旱胁迫下，多个组的基因表达增加；水杨酸（SA）诱导后，多数基因在处理 2 小时时表达显著上升，8 小时时大多恢复到基线水平。不同组的基因在不同处理下呈现出特异性的表达变化。
研究结论与讨论
研究人员在丹参基因组中系统鉴定并表征了 HSF 基因。34 个 HSF 基因数量多于拟南芥等部分植物，少于大豆和小麦等。基因的结构、保守基序和蛋白结构域等序列特征与之前研究相符。片段复制事件在丹参 HSF 基因家族扩张中起重要作用，并且复制基因受到纯化选择。通过基因表达分析可知，HSF 基因参与了丹参对干旱胁迫和 SA 诱导的应激反应，且具有保守的应激适应功能和谱系特异性特征。
这项研究意义重大，它为进一步研究 HSF 基因在丹参生长、发育和应激反应中的精确作用奠定了坚实基础。未来，可通过 CRISPR 基因编辑技术或 SA 应用实验，对这些基因的功能进行更深入验证，有望为提高丹参的抗逆性和丹参酮产量提供新的策略，从而推动丹参的可持续种植，保障其在医药领域的稳定供应 。
