小麦TaHSFP转录因子家族的全基因组鉴定及其在热与干旱胁迫应答中的功能演化分析

本研究首次系统鉴定小麦HSF型DNA结合蛋白（HSFP）基因家族，揭示其进化谱系、保守motif及启动子顺式元件特征；通过表达谱与蛋白互作网络分析，发现12个TaHSFP基因在热（40°C）与干旱（20% PEG-6000）胁迫下显著上调（如TraesCS7B03G0454600.1诱导达269倍），为小麦抗逆分子育种提供新靶点。

　　

Abstract

Background

含有HSF型DNA结合结构域的蛋白（HSFPs）是调控植物应答非生物胁迫（包括热和干旱）的关键转录因子。作为主要粮食作物，普通小麦（Triticum aestivum）面临气候变化的日益威胁，因此解析HSFP介导的胁迫适应分子机制至关重要。尽管HSF家族已在模式植物中得到研究，但对普通小麦HSFP基因的系统分析，特别是其进化分化和胁迫响应调控，仍较为有限。

Results

通过生物信息学方法，我们在普通小麦基因组（Triticum aestivum refseqv2.1）中鉴定出81个非冗余TaHSFP基因。这些基因不均匀分布在所有21条染色体上，编码的蛋白质长度为227–569个氨基酸，等电点（pI）范围为4.81–9.52，不稳定指数为32.26–71.13。系统进化分析将TaHSFP蛋白分为五个 distinct 进化谱系，显示出与拟南芥和水稻相比更复杂的扩张。结构特征分析揭示了10个保守基序（Motif 1–10）和普遍的双外显子（62个基因）或三外显子（10个基因）结构。TaHSFP基因的启动子区域富含胁迫响应顺式元件（如脱落酸、干旱和热休克元件），亚细胞定位预测表明75个蛋白靶向细胞核，4个靶向细胞质，2个靶向叶绿体。利用转录组数据和qRT-PCR（3个生物学重复，2个技术重复）进行的表达谱分析显示组织特异性表达，其中37个TaHSFP基因在叶和茎中高表达。在热（40°C）、干旱（20% PEG-6000）和复合胁迫下，12个TaHSFP基因（如TraesCS7B03G0454600.1, TraesCS5A03G0601000.1）显著上调（log2FC > 2, p < 0.05），其中TraesCS7B03G0454600.1在1小时热胁迫下诱导最高（269倍）。蛋白-蛋白互作（PPI）网络分析预测了60个核心TaHSFP蛋白及其1047个互作关系，这些蛋白富集在热休克响应通路（GO:0009408）中。

Conclusions

本研究首次对普通小麦HSFP基因家族进行了全面分析，揭示了其进化和功能多样性。鉴定出的胁迫响应TaHSFP基因及其调控基序为通过分子育种提高小麦对气候胁迫的韧性提供了新靶点。