小麦组蛋白H2A家族全基因组鉴定及TaH2A.10抗病毒功能验证揭示新型抗病机制

本研究针对小麦组蛋白H2A家族功能未知的问题，系统鉴定了113个TaH2A基因，通过进化分析和功能验证发现TaH2A.10与中国小麦花叶病毒(CWMV)CRP蛋白互作，沉默该基因增强病毒侵染而过表达则抑制病毒，为小麦抗病毒育种提供了新靶点。

　　

在真核生物中，组蛋白是染色质的重要组成成分，不仅参与DNA的包装，还在基因表达调控、DNA复制与修复等关键生物学过程中发挥核心作用。其中H2A作为组蛋白家族的重要成员，其变异体（如H2A.Z、H2A.X、H2A.W等）通过替换核心组蛋白，改变染色质结构，从而影响基因的转录活性。尽管在拟南芥、水稻等模式植物中H2A家族已被广泛研究，但在全球最重要的粮食作物之一——小麦中，H2A家族的系统鉴定和功能研究仍处于空白状态。与此同时，由中国小麦花叶病毒(Chinese wheat mosaic virus, CWMV)引起的病毒病严重威胁小麦生产，每年造成重大经济损失。然而，小麦抗CWMV的分子机制尚不明确，尤其寄主组蛋白是否参与病毒与植物的互作仍知之甚少。

为了解决上述问题，本研究首次对小麦H2A家族进行了全基因组规模的鉴定和分析，并深入探索了其中一个成员TaH2A.10在抗CWMV感染中的功能。研究成果发表在Plant Physiology and Biochemistry，为理解组蛋白在植物—病毒互作中的作用提供了新视角。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：利用BLASTP和Pfam数据库进行全基因组H2A基因鉴定；使用MEGA7和ClustalW进行多序列比对和系统进化分析；通过MEME和TBtools分析保守基序与基因结构；利用PlantCARE分析启动子顺式作用元件；采用酵母双杂交(Y2H)、荧光互补(LCI)和Pull-down验证蛋白互作；通过病毒诱导的基因沉默(VIGS)和过表达实验在小麦和本氏烟中分析基因功能。

研究结果主要包括以下几个方面：

3.1. 小麦H2A家族的鉴定与特征分析

研究人员共鉴定出113个TaH2A基因，依据保守结构域将其分为四类：H2A、H2A.Z、H2A.X和H2A.W。这些基因编码的蛋白在氨基酸数目、分子量、等电点等理化性质上存在较大变异，但大多数蛋白为亲水性且体外稳定。

3.2. H2A的系统进化与分类分析

通过构建系统进化树，发现小麦和拟南芥的H2A蛋白共同聚类为四个亚家族，其中H2A.W亚家族成员最多（87个），而H2A和H2A.Z亚家族成员数量较少（各6个）。同一亚家族成员在进化关系上高度保守。

3.3. H2A蛋白结构预测

利用SWISS-MODEL对随机选取的各亚家族成员进行三维结构建模，结果显示不同物种同一亚家族的H2A蛋白在空间结构上高度相似，表明其功能可能具有保守性。

3.4. TaH2A基因结构与保守基序分析

基因结构分析表明，同一亚家族成员具有相似的外显子—内含子结构。基序分析发现Motif 5在所有TaH2A蛋白中高度保守，而某些基序（如Motif 7、8和13）为H2A.Z亚家族特有，说明各亚家族可能具有特异的功能。

3.5. 染色体定位与同线性分析

TaH2A基因分布不均匀，其中6号染色体上分布最多，而未命名染色体上未发现任何成员。共线性分析显示片段重复是TaH2A家族扩张的主要动力。Ka/Ks分析表明大多数基因对受到纯化选择。

3.6. TaH2A旁系同源与直系同源分析

小麦与水稻之间存在25个直系同源基因对，而与拟南芥仅有4个，说明小麦H2A基因与水稻亲缘关系更近。分歧时间估计表明基因重复事件多发生在1300万至3100万年前。

3.7. TaH2A顺式作用元件预测

启动子分析发现TaH2A基因含有大量与激素响应（如ABA、JA、SA）、光响应及逆境响应相关的顺式作用元件，表明这些基因可能广泛参与小麦生长发育和胁迫应答。

3.8. CRP与TaH2A.10互作

通过Y2H筛选发现CWMV的CRP蛋白与TaH2A.10存在互作，进一步通过LCI和Pull-down实验验证了该互作的真实性。

3.9. TaH2A.10调控CWMV感染

VIGS沉默TaH2A.10后，小麦对CWMV更易感，病毒积累量显著上升；而在本氏烟中过表达TaH2A.10则显著抑制CWMV的复制与积累，表明TaH2A.10正调控植物对CWMV的抗性。

研究结论与讨论部分指出，本研究首次在小麦中全基因组规模鉴定了H2A家族成员，并系统分析了其进化关系、结构特征和潜在功能。更重要的是，发现了TaH2A.10与CWMV CRP蛋白的直接互作，并证实了TaH2A.10在抑制病毒侵染中的积极作用。这不仅拓展了我们对植物组蛋白功能多样性的认知，也为探索小麦抗病毒机制提供了新的分子靶点。未来通过深入研究TaH2A.10介导的抗病信号通路，有望为小麦抗病毒育种提供新的策略和基因资源。