向日葵HD-ZIP基因家族全基因组鉴定及其在水分亏缺胁迫下的表达调控机制分析

《Scientific Reports》：Genome-wide identification and expression analysis of HD-ZIP gene family in sunflower (Helianthus annuus L.) under water deficit stress

本研究针对向日葵抗旱分子机制不明的问题，系统开展了HD-ZIP转录因子家族的全基因组鉴定与功能分析。通过生物信息学与实验验证相结合，首次在向日葵中鉴定出55个HaHD-ZIP基因，发现HaHD-ZIP4和HaHD-ZIP14在干旱胁迫下显著上调，为向日葵抗逆育种提供了重要候选基因。研究成果对解析植物逆境应答机制具有重要理论价值。

　　

随着全球人口预计到2050年达到90亿，粮食安全面临严峻挑战。作物生产受到多种生物和非生物胁迫的负面影响，其中干旱胁迫是限制农作物产量和品质的主要因素之一。向日葵（Helianthus annuus L.）作为全球重要的油料作物，以其中等抗旱性而闻名，但在生长过程中，水分亏缺条件仍会影响向日葵籽粒品质、油含量和脂肪酸组成。因此，研究向日葵抗旱分子机制，挖掘抗旱关键基因，对提高向日葵产量和品质具有重要意义。

转录因子在植物应答非生物胁迫中起着核心调控作用。HD-ZIP（Homeodomain-Leucine Zipper）蛋白家族是植物特有的转录因子，其包含一个同源结构域（HD）和一个亮氨酸拉链 motif（LZ），分别负责DNA结合和蛋白质二聚化。根据保守结构域、基因结构和功能，HD-ZIP蛋白可进一步分为四个亚家族（I-IV）。研究表明，HD-ZIP I参与非生物胁迫响应、脱落酸（ABA）信号传导等过程；HD-ZIP II响应光照、遮荫和生长素信号；HD-ZIP III参与胚胎发生、分生组织调控和维管系统发育；HD-ZIP IV则在表皮细胞分化、毛状体形成等过程中发挥重要作用。尽管HD-ZIP基因家族已在多种植物中得到全基因组鉴定，但在向日葵中仍缺乏系统性研究。

为解决这一知识空白，Yeganeh Hasheminejad Ahangarani Farahani、Majid Norouzi和Seyed Abolghasem Mohammadi在《Scientific Reports》上发表了题为"Genome-wide identification and expression analysis of HD-ZIP gene family in sunflower(Helianthus annuus L.) under water deficit stress"的研究论文，首次对向日葵HD-ZIP基因家族进行了全面系统的分析。

研究人员综合运用生物信息学分析、分子生物学实验等技术手段，包括基因组数据库检索、系统进化分析、基因结构分析、染色体定位、顺式作用元件分析、共线性分析、转录因子结合位点预测、蛋白质互作网络构建以及实时荧光定量PCR（qRT-PCR）等技术。

研究首先从向日葵基因组中鉴定出55个非冗余的HaHD-ZIP基因，命名为HaHD-ZIP1-55，并根据它们在1-17号染色体上的物理位置进行编号。这些基因编码的蛋白质长度从181个氨基酸（HaHD-ZIP7）到848个氨基酸（HaHD-ZIP11和HaHD-ZIP50）不等，分子量范围为21.23 kDa至93.11 kDa，等电点介于4.53至9.33之间。亚细胞定位预测显示大多数HaHD-ZIP蛋白定位于细胞核，而HaHD-ZIP4定位于细胞质，部分蛋白同时存在于细胞核和细胞质中。

通过系统进化分析，研究人员将HD-ZIP蛋白家族划分为四个进化枝（HD-ZIP I-IV）。HD-ZIP I亚家族成员最多，包含19个HaHD-ZIP和17个AtHD-ZIP（拟南芥HD-ZIP）；HD-ZIP III亚家族最小，仅有9个HaHD-ZIP和5个AtHD-ZIP；HD-ZIP II和HD-ZIP IV亚家族分别包含16/10和11/16个成员。具有相似功能的基因倾向于聚集在同一亚家族，可能具有共同的进化起源。

基因结构和保守基序分析发现，同一亚家族成员具有相似的基序组成和基因结构。所有HaHD-ZIP基因均包含Motif1和Motif2（属于同源结构域）以及Motif3（对应亮氨酸拉链）。HD-ZIP III和IV亚家族共享START结构域相关基序（Motif4、6、10），而MEKHLA结构域相关基序（Motif5和9）仅存在于III亚家族。基因结构分析显示，HaHD-ZIPI和HaHD-ZIPII基因含有2-4个外显子，HaHD-ZIPIV基因含有6-12个外显子，而HaHD-ZIPIII亚家族基因外显子数量最多（16-18个），基因长度也最长。

染色体定位分析表明，55个HaHD-ZIP基因不均匀分布在17条向日葵染色体上。17号染色体包含基因数量最多（6个），而6、7、8和10号染色体仅含1个基因。染色体3、11和14各有2个基因，染色体1和4各有3个基因，染色体2和16各有4个基因，染色体5、9、12、13和15各有5个基因。

启动子顺式作用元件分析发现，HaHD-ZIP基因启动子区域包含大量功能各异的顺式调控元件，可分为胁迫响应元件（9种）、激素响应元件（12种）、光响应元件（28种）和发育相关元件（10种）。其中，激素响应元件最为丰富，ABA响应元件（ABRE）最为常见。胁迫响应元件中，参与厌氧诱导的ARE元件丰度最高。发育相关元件中，与分生组织表达相关的CAT-box元件较为丰富，而光响应元件中G-box元件最为常见。

基因复制事件分析显示，四个基因对（HaHD-ZIP7/HaHD-ZIP40、HaHD-ZIP8/HaHD-ZIP37、HaHD-ZIP18/HaHD-ZIP51和HaHD-ZIP25/HaHD-ZIP46）经历了片段复制，而仅有一个基因对（HaHD-ZIP16/HaHD-ZIP17）为串联复制。Ka/Ks比值分析表明，所有复制基因对的Ka/Ks值在0.05-0.27之间，均小于1，说明纯化选择是HaHD-ZIP基因分化的主要驱动力。片段复制事件估计发生在1240-4011万年前，串联复制发生在大约2750万年前。

共线性分析发现，12个HaHD-ZIP基因与9个AtHD-ZIP基因存在共线性关系，形成了13对直系同源基因对，表明向日葵和拟南芥HD-ZIP基因具有较高的同源性。转录因子结合位点预测显示，在向日葵全基因组中鉴定出15,577个HD-ZIP转录因子结合位点，分布于9,479个独特基因中。

蛋白质互作网络分析将HaHD-ZIP蛋白分为三个主要簇。第一簇（红色）包含17个蛋白，以A0A251U614为中心枢纽蛋白；第二簇（绿色）包含12个蛋白，主要互作节点为HaHD-ZIP48和LBD1；第三簇（蓝色）包含8个蛋白，以HaHD-ZIP34为枢纽蛋白。

qRT-PCR表达分析显示，在干旱胁迫下，HaHD-ZIP4、HaHD-ZIP8和HaHD-ZIP14基因表达上调，而HaHD-ZIP6、HaHD-ZIP15、HaHD-ZIP33、HaHD-ZIP39和HaHD-ZIP41基因表达下调。HaHD-ZIP14表达量最高，增加了6.6倍；HaHD-ZIP4表达量增加了4.1倍；HaHD-ZIP8在20% PEG处理下仅轻微上调；HaHD-ZIP41表达量最低。

研究结论表明，向日葵基因组中包含55个HaHD-ZIP基因，可分为四个亚家族，其启动子区域含有丰富的逆境响应顺式作用元件。基因复制和共线性分析揭示了该基因家族的进化历史。表达分析发现HaHD-ZIP4和HaHD-ZIP14在干旱胁迫下显著上调，表明这两个基因可能在向日葵抗旱响应中起关键正调控作用。

该研究首次对向日葵HD-ZIP基因家族进行了全基因组系统性分析，不仅丰富了植物转录因子家族进化研究的内容，而且为向日葵抗逆育种提供了重要的候选基因资源。特别是HaHD-ZIP4和HaHD-ZIP14基因的鉴定，为通过基因工程手段提高向日葵抗旱性奠定了分子基础，对应对全球气候变化背景下作物生产面临的挑战具有重要实践意义。研究成果为后续向日葵HD-ZIP基因的功能验证和分子机制研究提供了重要理论依据和数据支持。