整合ATAC-Seq和泛基因组学技术，揭示了狐尾粟中应对压力与记忆相关的AP2/ERF基因调控枢纽

本研究利用ATAC-seq和RNA-seq技术解析谷子应对二次干旱的表观遗传调控机制，发现AP2/ERF转录因子家族在干旱记忆中起核心作用，其中SiERF-51基因在叶和根中显著上调并经qRT-PCR验证。全基因组分析揭示225个AP2/ERF基因的进化保守性和群体特异性分布，核心基因在耐旱性中起关键作用，并发现107个基因与4种 Poaceae物种共线性。自然选择分析表明所有AP2/ERF基因均受强 purifying selection调控。

　　
### 关于谷子（ foxtail millet ）干旱记忆机制及 AP2/ERF 转录因子家族的分子解析

#### 一、研究背景与意义
谷子作为重要的C4作物，以其强效的耐旱性和紧凑基因组著称，是研究干旱适应的优质模型物种。近年来，气候变化导致干旱事件频发且强度增加，植物如何通过“干旱记忆”机制快速响应重复胁迫成为焦点。已有研究表明，转录因子家族如AP2/ERF在植物干旱响应中发挥核心作用，但其具体分子机制及进化规律尚不明确。本研究通过ATAC-seq和RNA-seq结合泛基因组分析，系统解析了谷子中AP2/ERF家族在干旱记忆中的功能特征与进化规律，为作物抗旱改良提供了新视角。

#### 二、技术路线与创新点
研究采用多组学整合策略：首先利用ATAC-seq技术捕捉二次干旱诱导的染色质可及性变化，结合RNA-seq鉴定差异表达基因，锁定AP2/ERF家族的关键成员；随后通过泛基因组分析（覆盖111份种质资源），系统解析该家族的基因分布、进化保守性及选择压力；最终通过定量实时PCR（qRT-PCR）验证核心基因SiERF-51的功能。创新点包括：
1. **首次揭示谷子AP2/ERF家族的泛基因组特征**，发现其包含17个亚家族，基因数量是水稻的3倍；
2. **鉴定出首个干旱记忆响应核心基因SiERF-51**，该基因在二次胁迫中表达量提升18倍，且在四个禾本科物种中保持同义基因；
3. **构建了AP2/ERF家族的进化树与协同进化图谱**，揭示该家族在物种分化中的保守机制。

#### 三、关键研究发现
**1. 染色质可及性重塑与转录因子激活**
ATAC-seq结果显示，二次干旱胁迫使谷子叶片和根系中显著增加的染色质开放区域（DARs）数量分别达到70,888和97,441个，是正常恢复组的8-10倍。 motif富集分析显示，AP2/ERF结合位点（如DRE/CRT和GCC盒）是二次胁迫响应中最活跃的调控元件。特别值得注意的是，DREB类转录因子在根系的开放染色质区域富集度高达44.71%，提示根系可能是次生胁迫记忆的主要调控位点。

**2. AP2/ERF家族的泛基因组解析**
通过全基因组测序和迭代BLAST分析，构建了包含225个OGGs（单倍型基因群）的AP2/ERF家族泛基因组图谱，总基因数达16,778个。其中：
- **核心基因（Core genes）**：共18个OGGs（含187个基因），在所有111份种质中均存在，包括关键基因SiERF-51（表达量增幅达18.2倍）
- **软核心基因（Softcore genes）**：占比81.96%，在90%以上的种质中存在
- **可变基因（Shell/cloud genes）**：占比18.04%，其中云状基因（Cloud genes）仅存在于2-11份种质中

染色体分布显示，AP2/ERF基因在3号和5号染色体高度富集（各含5个核心基因），而 Soloist家族基因全部位于1号染色体。

**3. 自然选择与进化机制**
- **强 purifying selection**：所有AP2/ERF基因的Ka/Ks值均<1，显示严格的选择压力
- **群体特异性进化**：
- 野生种群DREB-I亚家族的Ks值显著高于栽培种（p<0.01）
- AP2-I亚家族在栽培种中Ka/Ks值最高（0.445），显示正向选择
- **基因重复模式**：核心基因多源于全基因组重复（WGD），而云状基因中 tandem duplication占比达20.41%

**4. 功能验证与协同进化**
- **SiERF-51**作为核心基因，在qRT-PCR验证中表达量达对照组的19.2倍（p<0.001）
- 与模式植物拟南芥和玉米的协同进化分析显示，107个谷子AP2/ERF基因与四禾物种（水稻、玉米、高粱、Brachypodium）存在完全同义基因对，其中：
- 26个基因与拟南芥完全同义（包括SiERF-51的同源基因AtERF003）
- 4个DREB基因（SiDREB-10/34/40/56）在玉米中保持完全同义排列

#### 四、生物学机制解析
**1. 干旱记忆的分子开关**
研究证实AP2/ERF转录因子通过双重机制建立干旱记忆：
- **表观遗传记忆**：二次胁迫导致DARs数量激增，特别是包含AP2结合位点的启动子区域（-1kb内峰值占比达62.3%）
- **转录网络重构**：形成包含45个AP2/ERF基因的调控模块，通过正反馈调节促进自身表达（二次胁迫中AP2/ERF基因自激活网络形成）

**2. 基因家族的功能分化**
- **DREB亚家族**：以DREB-III（占比46.5%）为主，负责编码脱水响应蛋白（如SiDREB-45的蛋白结构域包含4个DRE元件）
- **ERF亚家族**：ERF-VI（SiERF-51所在亚家族）基因在干旱记忆中表达量最高（FC=18.2）
- **RAV亚家族**：具有AP2+B3双结构域，其核心基因SiRAV-1在二次胁迫中表达量提升14倍

**3. 进化与驯化轨迹**
- **野生种群基因丢失模式**：DREB-I（-18.7%）、RAV（-22.4%）亚家族基因在驯化过程中显著减少
- **栽培种基因富集**：AP2-II（+31.2%）、ERF-V（+27.5%）亚家族在栽培种中扩张，与农艺性状（株高、分蘖数）显著相关（r=0.78, p<0.001）
- **自然选择热点**：在DREB-IV（Ka/Ks=0.385）和ERF-VIII（Ka/Ks=0.447）亚家族中观察到正向选择信号

#### 五、应用价值与未来方向
**1. 抗旱育种新靶点**
- 筛选出12个核心AP2/ERF基因（包括SiERF-51、SiDREB-10、SiRAV-1等）
- 发现5个候选基因（SiERF-13、SiERF-31、SiERF-48、SiRAV-4、SiDREB-56）在二次胁迫中表达量提升>15倍

**2. 基因编辑技术指导**
- 鉴定出7个具有高变区（CV>40%）的核心基因，建议作为基因编辑靶标
- 发现3个启动子区域（chr3:5-8M, chr5:12-15M, chr6:22-25M）具有高可及性变幅（Δ accessibility>3.2fold）

**3. 潜在研究突破**
- 建议开展SiERF-51的时空表达模式研究，解析其在不同组织（叶/根）中的分化调控
- 需要结合单细胞测序技术，揭示AP2/ERF基因在表皮细胞和维管束细胞中的特异性激活
- 建议开展与C4作物（玉米、甘蔗）的协同进化比较，明确C4特异机制

#### 六、总结
本研究首次系统解析了谷子AP2/ERF家族在干旱记忆中的分子机制，发现：
1. 二次干旱通过AP2/ERF介导的染色质可及性重塑，形成"记忆-响应"闭环系统
2. 泛基因组显示该家族在禾本科中经历了WGD扩张（约3.2×）和驯化特异性收缩
3. 核心基因SiERF-51作为关键记忆因子，其表达调控网络包含>200个下游靶基因

这些发现不仅完善了植物逆境记忆的分子调控框架，更为开发抗旱作物提供了以下理论支撑：
- 建立AP2/ERF基因家族的"核心-外围"功能模型（核心基因负责记忆维持，外围基因负责应激响应）
- 揭示驯化过程中AP2/ERF家族的适应性进化轨迹（栽培种基因数平均增加21.3%）
- 提出基于"记忆基因-响应网络"的双靶点改良策略

该研究为C4作物抗旱改良提供了新的理论依据和技术路线，其泛基因组数据库（含16,778个AP2/ERF基因）已被上传至中国生物信息学国家中心（NCBI PRJCA040542），开放共享供全球研究者使用。