红花HD-ZIP转录因子家族全基因组鉴定及其在干旱胁迫下的转录调控机制研究

《BMC Genomics》：Genome-wide identification and transcription profiling of safflower (Carthamus tinctorius L.) HD-ZIP gene family under water deficit

为解决红花(Carthamus tinctorius L.)抗旱分子机制尚不明确的问题，研究人员开展了HD-ZIP转录因子家族的全基因组鉴定与干旱胁迫下的转录谱分析。研究首次在红花基因组中鉴定出46个HD-ZIP基因，并发现HD-ZIP I亚家族成员（如CtHDZIP23/HB-7、CtHDZIP3/HB-40等）在干旱胁迫下显著上调表达，揭示了其在红花抗旱调控网络中的核心作用，为培育抗旱红花新品种提供了关键靶点。

　　

随着气候变化的加剧，干旱已成为限制植物生长和发育、造成巨大经济损失的主要胁迫因素。培育抗旱作物是应对其影响、保障世界粮食安全的重要途径之一。植物进化出了复杂的调控机制来应对干旱胁迫，其中转录调控网络是核心环节。红花(Carthamus tinctorius L.)是一种重要的油料作物，具有高营养价值和天然的抗旱性，是研究干旱耐受性的宝贵模型。然而，与主要作物相比，红花抗旱性的分子基础尚不明确，这限制了其抗旱潜力的充分发挥。

同源异型域亮氨酸拉链(HD-ZIP)是植物转录因子(TFs)中一类高度保守的DNA结合域，参与生长、发育、信号转导以及对非生物胁迫的响应。例如，拟南芥中的AtHB7、AtHB12以及小麦中的TaHDZ5-6A等HD-ZIP家族成员已被证明在干旱胁迫下上调表达。然而，迄今为止，红花中的HD-ZIP转录因子尚未在全基因组范围内进行表征，其在干旱胁迫响应中的作用也尚属未知。

为了填补这一空白，Fahime Sabzeali等研究人员在《BMC Genomics》上发表了一项研究，首次对红花HD-ZIP基因家族进行了全基因组鉴定，并系统分析了其在干旱胁迫下的表达模式。该研究旨在揭示HD-ZIP家族在红花抗旱调控中的关键作用，为红花抗旱育种提供理论依据和候选基因。

主要技术方法

研究人员首先利用隐马尔可夫模型(HMM)在红花基因组中鉴定HD-ZIP基因，并通过系统发育分析将其分类。随后，利用生物信息学工具分析了基因结构、保守基序、染色体定位、基因复制事件、启动子顺式作用元件、蛋白质互作网络以及基因本体论(GO)富集。在实验验证方面，研究人员对红花幼苗进行为期10天的干旱处理，利用RNA-seq技术分析HD-ZIP基因的表达谱，并通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)对关键基因的表达变化进行验证。

研究结果

1. 红花HD-ZIP基因家族的鉴定与分类

研究人员在红花基因组中鉴定出46个HD-ZIP基因，根据系统发育分析将其分为I、II、III、IV四个亚家族，分别包含22、12、5和7个成员。理化性质分析显示，这些蛋白质的氨基酸数量在152到848之间，分子量在17,494.54到93,289.39 KDa之间，理论等电点(PI)在4.36到9.3之间。亚细胞定位预测显示，85%的HD-ZIP蛋白定位于细胞核，符合其作为转录因子的功能。

2. 保守基序与基因结构分析

保守基序分析显示，所有HD-ZIP蛋白均包含同源异型域(HD)和亮氨酸拉链(LZ)结构域。HD-ZIP II亚家族在羧基端含有CPSCE区域，HD-ZIP III亚家族包含START和MEKHLA结构域，而HD-ZIP IV亚家族则包含START结构域。基因结构分析显示，HD-ZIP I亚家族基因的外显子数量最少（2个），而HD-ZIP III亚家族基因的外显子数量最多（18个），表明不同亚家族在进化过程中经历了不同的基因结构分化。

3. 染色体定位与基因复制分析

46个HD-ZIP基因不均匀地分布在红花的12条染色体上，其中1号和11号染色体上的基因数量最多（各6个）。研究人员共鉴定出5对复制基因，其中4对为片段复制，1对为串联复制。非同义替换率(Ka)与同义替换率(Ks)的比值(Ka/Ks)分析表明，两对基因(CtHDZIP24/CtHDZIP32和CtHDZIP1/CtHDZIP41)的Ka/Ks比值大于1，表明其经历了正选择；而另外三对基因的Ka/Ks比值小于1，表明其经历了纯化选择。这表明片段复制是红花HD-ZIP家族扩张的主要驱动力，且部分复制基因在进化过程中获得了新的功能。

4. 启动子顺式作用元件分析

对HD-ZIP基因启动子区（转录起始位点上游2000 bp）的分析揭示了大量与激素响应和胁迫响应相关的顺式作用元件。其中，脱落酸(ABA)响应元件(ABRE)最为丰富（110个），其次是MYB（172个）和MYC（93个）转录因子结合位点。此外，还发现了与干旱诱导相关的MBS元件以及参与光响应的G-box和ACE元件。这些结果表明，HD-ZIP基因的表达受到多种激素和环境信号的复杂调控。

5. 蛋白质互作网络分析

基于拟南芥同源基因构建的蛋白质互作网络(PPI)显示，红花HD-ZIP蛋白之间以及与其他转录因子和功能蛋白之间存在广泛的相互作用。网络分析识别出三个基因模块（HZ-blue、HZ-green和HZ-red），其中HZ-red模块包含了HD-ZIP II亚家族的HAT3、HAT4、HAT14和HAT22等成员，它们之间的互作关系得到了高度验证。此外，HD-ZIP蛋白还与GL2、MYB23、WRKY44等其他家族的转录因子互作，表明HD-ZIP家族成员在调控器官发生和关键生物学过程中扮演着重要角色。

6. 干旱胁迫下HD-ZIP基因的表达谱分析

RNA-seq分析显示，在红花幼苗遭受干旱胁迫时，HD-ZIP I和II亚家族的成员表现出显著的表达变化。其中，HD-ZIP I亚家族的4个基因（CtHDZIP23/HB-7、CtHDZIP7/HB-7、CtHDZIP26/HAT5和CtHDZIP3/HB-40）显著上调表达，而2个基因（CtHDZIP9和CtHDZIP41，均为HB13同源基因）显著下调表达。在HD-ZIP II亚家族中，仅CtHDZIP37(HAT22)显著上调表达。HD-ZIP III和IV亚家族的成员在干旱胁迫下未表现出显著表达变化。qRT-PCR验证结果与RNA-seq数据一致，证实了这些基因是红花中响应干旱胁迫的关键HD-ZIP成员。

结论与讨论

本研究首次在红花中进行了HD-ZIP转录因子家族的全基因组鉴定与系统分析。研究共鉴定出46个HD-ZIP基因，并将其分为四个亚家族。系统发育、基因结构和保守基序分析揭示了不同亚家族之间的进化关系与功能分化。基因复制分析表明，片段复制是红花HD-ZIP家族扩张的主要方式，且部分复制基因经历了正选择，可能获得了新的功能。

启动子分析揭示了HD-ZIP基因的表达受到ABA、MYB、MYC等多种信号通路的调控，这与其在干旱胁迫响应中的功能高度吻合。蛋白质互作网络分析进一步表明，HD-ZIP蛋白不仅自身互作，还与其他转录因子和功能蛋白形成复杂的调控网络，共同参与器官发生和关键生物学过程的调控。

最重要的是，本研究通过RNA-seq和qRT-PCR验证，明确了HD-ZIP I和II亚家族是红花响应干旱胁迫的主要成员。其中，CtHDZIP23/HB-7、CtHDZIP3/HB-40、CtHDZIP26/HAT5和CtHDZIP37/HAT22等基因在干旱胁迫下显著上调表达，是红花抗旱调控网络中的核心候选基因。这些基因在拟南芥、向日葵等物种中的同源基因已被证明通过ABA信号通路、调控气孔关闭、促进木质素合成等方式提高植物的抗旱性。

综上所述，本研究不仅填补了红花HD-ZIP基因家族研究的空白，更重要的是，筛选出了一批在干旱胁迫下响应的关键HD-ZIP基因。这些基因作为红花抗旱调控网络中的核心节点，为深入解析红花的抗旱分子机制提供了重要线索，也为通过分子育种手段培育抗旱红花新品种提供了宝贵的基因资源。