五叶槭AP2/ERF转录因子家族的全基因组鉴定及其在叶片变色过程中的调控机制解析

本研究针对五叶槭（Acer paxii）秋季叶片变红的分子机制尚不明确的问题，通过全基因组分析鉴定了123个ApAP2/ERF家族成员，系统解析其进化关系、结构特征及表达模式。研究发现红色叶片中花青素含量显著升高，且ApERF006、ApERF014等5个基因表达显著上调，提示其可能通过调控花青素合成通路参与叶色变化。该研究为阐明木本植物观赏性状形成的转录调控网络提供了新视角。

　　

每到秋季，五叶槭（Acer paxii）的叶片会从绿色转变为鲜艳的红色，形成独特的观赏景观。这种变色现象与花青素（anthocyanin）的积累密切相关，而花青素的生物合成受到多种转录因子的精密调控。其中，AP2/ERF（APETALA2/ethylene-responsive factor）转录因子家族在植物发育、激素信号转导和逆境响应中发挥重要作用，但该家族在五叶槭叶片变色过程中的功能尚未被系统揭示。目前，对五叶槭叶片变红分子机制的研究仍较为缺乏，尤其是AP2/ERF家族成员的全基因组鉴定及其在叶色变化中的表达模式尚属空白。

为填补这一研究空白，安徽农业大学园艺学院的研究团队在《Phyton-International Journal of Experimental Botany》上发表了题为“五叶槭AP2/ERF转录因子家族的全基因组鉴定及不同叶色期转录表达分析”的研究论文。该研究通过全基因组筛选、系统进化分析、染色体定位、基因结构解析、顺式作用元件预测、转录组测序和实时荧光定量PCR（qRT-PCR）等技术，系统鉴定了五叶槭中AP2/ERF家族成员，并分析了其在叶片变色过程中的表达特征。

研究首先对五叶槭基因组进行Hidden Markov Model（HMM）搜索，结合Pfam和NCBI-CDD（Conserved Domain Database）结构域验证，最终鉴定出123个ApAP2/ERF基因。这些基因被命名为ApERF1至ApERF123，并根据其染色体分布进行系统编号。随后，研究人员构建了与拟南芥（Arabidopsis thaliana）AP2/ERF家族的系统进化树，将ApAP2/ERF成员划分为ERF、DREB（dehydration-responsive element binding proteins）、AP2、RAV（related to ABI3/VP1）和Soloist五个亚家族。其中，ERF亚家族成员最多，占51.2%，进一步分为A1–A6和B1–B6共12个进化枝。

在基因结构方面，研究人员利用MEME软件鉴定了10个保守基序（motif），发现大多数ApAP2/ERF蛋白同时包含motif 1、2、5和6，这些基序构成AP2结构域的核心组成部分。此外，基因结构分析显示，不同亚家族的基因在外显子-内含子组成上存在显著差异，其中AP2亚家族成员通常含有较多的内含子，而DREB亚家族成员结构相对简单。

染色体定位分析表明，123个ApAP2/ERF基因不均匀分布在五叶槭的13条染色体上，其中第2、4和13号染色体上的基因数量最多（各14个）。通过MCScanX工具进行基因复制事件分析，发现31%的ApAP2/ERF基因涉及串联复制，同时鉴定出27对片段复制基因对，这些复制事件可能是该基因家族扩张的重要驱动力。

为进一步探讨ApAP2/ERF基因的调控潜力，研究人员对其启动子区域进行了顺式作用元件（cis-acting element）分析。结果发现，这些基因的启动子中含有大量光响应元件、激素响应元件（如脱落酸ABA、茉莉酸甲酯MeJA、赤霉素GA等）以及逆境响应元件。特别是在高表达的ApERF048和ApERF097基因启动子中，含有10–13个光响应元件和多个MYB转录因子结合位点，提示这些基因可能通过整合光信号和激素通路参与叶片变色调控。

在表达分析方面，转录组测序结果显示，在五叶槭叶片由绿转红的过程中，有44个ApAP2/ERF基因表达上调。通过qRT-PCR验证，发现ApERF006、ApERF014、ApERF048、ApERF097和ApERF107在红色叶片中的表达水平显著高于绿色叶片。与此同时，花青素含量测定显示红色叶片中的花青素含量达到831.08 μg/g，是绿色叶片的8倍，进一步支持了这些基因与花青素积累的相关性。

此外，通过STRING数据库进行蛋白互作网络预测，发现ApERF076与花器官发育相关蛋白AP2具有功能相似性，ApERF117与拟南芥DREB1F同源，可能参与低温胁迫响应。这些互作关系为后续研究ApAP2/ERF基因的功能提供了线索。

研究结论部分指出，五叶槭AP2/ERF基因家族在叶片变色过程中表现出明显的功能分化，其中5个关键基因（ApERF006、ApERF014、ApERF048、ApERF097和ApERF107）可能通过调控花青素合成通路影响叶色变化。该研究不仅首次系统鉴定了五叶槭AP2/ERF家族成员，还为解析木本植物叶色变异的分子机制提供了重要理论基础。未来通过基因功能验证实验（如乙烯处理、病毒诱导基因沉默VIGS等），将进一步揭示这些转录因子在叶片变色中的具体作用途径。

综上所述，这项研究填补了五叶槭AP2/ERF转录因子家族研究的空白，为观赏植物叶色改良和分子育种提供了候选基因资源，同时对理解植物花色苷生物合成的转录调控网络具有重要科学意义。