水稻粳稻亚种EIN3/EIL转录因子家族的全基因组鉴定与表达谱解析：乙烯信号通路调控新视角

《Discover Plants》：Genome-wide characterization and expression profiling of EIN3/EIL family genes in Oryza sativa var. japonica

本研究针对粳稻（Oryza sativa var. japonica）中乙烯信号通路核心转录因子EIN3/EIL家族尚未系统解析的问题，通过全基因组分析鉴定出7个OsEIL成员，揭示其进化关系、蛋白结构特征及表达模式。研究发现OsEIL1和OsEIL3在多种组织中高表达，且启动子区域富含激素与应激响应顺式元件，表明该家族基因在粳稻生长发育及逆境适应中发挥关键作用。该研究为粳稻乙烯信号调控机制提供了理论依据，为抗逆育种提供了候选基因。

　　

在植物王国中，乙烯作为一种气态激素，宛如一位隐秘的指挥家，调控着从种子萌发到叶片衰老的众多生命乐章。然而，这位指挥家的“乐谱”——乙烯信号通路中的关键转录因子EIN3/EIL家族，在重要的粮食作物粳稻中却尚未被完全解读。尽管此前研究已对水稻整体有所涉猎，但粳稻作为适应温带气候的重要亚种，其独特的生理和遗传特性使得专门针对其EIN3/EIL家族的系统研究显得尤为重要。这项发表在《Discover Plants》上的研究，正是为了填补这一空白，深入探索粳稻中这些关键调控因子的奥秘。

为了揭示粳稻EIN3/EIL家族的全貌，研究人员开展了一项综合性的生物信息学分析。他们首先从Gramene和EnsemblPlants等数据库获取粳稻基因组数据，利用Hidden Markov Model (HMM) 进行同源搜索，精准鉴定出7个OsEIL基因。随后，研究团队运用了一系列生物信息学工具：通过ProtParam分析蛋白理化性质，利用Cell-PLoc 2.0、BUSCA和DeepLoc-1.0预测亚细胞定位，并采用MEGA7.0构建系统进化树以阐明其进化关系。基因结构（外显子-内含子）和保守基序分析通过GSDS和MEME套件完成。此外，研究还利用STRING数据库预测蛋白互作网络，并通过PlantCARE工具分析启动子区域的顺式作用元件。最后，基于Expression Atlas的RNA测序数据，研究人员绘制了OsEIL基因在粳稻不同组织中的表达谱，从而全面解析了这一基因家族的特征与功能。

3.1 Features of EIL family genes in japonica rice

通过全基因组分析，研究人员在粳稻中鉴定出7个EIL家族基因（OsEIL1-OsEIL7），它们分布在6条染色体上。这些基因编码的蛋白长度差异显著（177-641个氨基酸），分子量介于19.63 kDa至70.94 kDa之间。等电点（pI）范围（5.07-11.54）表明OsEIL蛋白兼具酸性和碱性特性。亲水性分析（GRAVY值为负）显示所有蛋白均为亲水性。亚细胞定位预测显示大多数OsEIL蛋白定位于细胞核，部分定位于叶绿体。所有蛋白均包含特征性的EIN3结构域。

3.2 Evolutionary analysis through phylogeny tree and synteny analysis

系统进化分析将来自7个物种的74个EIL蛋白序列分为A、B、C、D四个亚群，粳稻的OsEIL蛋白分布于各亚群中，其中C亚群包含最多成员（4个）。同线性分析显示OsEIL基因与大豆、小麦、Panicum hallii等物种的同源基因存在高度相似性（最高达99.9999%），表明EIL基因在进化上较为保守。

3.3 Aligning sequences and prediction of protein homology

多序列比对显示OsEIL蛋白的N端高度保守，包含酸性结构域（AD）、五个碱性结构域（BD I-V）和脯氨酸富集区（PR），而C端序列变异较大。此外，还鉴定出与蛋白互作相关的三个保守区域（PP I-III）和四个疏水区域（HP I-IV）。三级结构预测表明OsEIL1与拟南芥AtEIN3结构相似，均具有DNA结合域。

3.4 Exon-intron and motif analyses

基因结构分析显示大多数OsEIL基因不含内含子，仅OsEIL5和OsEIL6含有一个内含子。保守基序分析鉴定出10个基序，其中基序1、2、4存在于所有OsEIL蛋白，构成DNA结合域。系统进化树上同一分支的成员具有相似的基序组成，提示功能相似性。

3.5 Chromosome localization,gene duplication,and protein-protein interaction

7个OsEIL基因分布于6条染色体上，染色体3存在一个串联重复基因对（OsEIL6/OsEIL7）。蛋白互作预测显示所有OsEIL蛋白均与EIN2互作，部分还与MPK5、MPK1、MYC2等蛋白互作，表明其参与乙烯信号通路及与其他应激通路的交叉对话。

3.6 Promoter analysis

启动子分析发现OsEIL基因富含多种顺式作用元件，包括响应脱落酸（ABRE）、茉莉酸甲酯（CGTCA-motif, TGACG-motif）等激素的元件，以及响应低温（LTR）、干旱（MBS）等非生物胁迫的元件，提示OsEIL基因广泛参与激素信号和应激响应。

3.7 Analysis of RNA-sequencing data of O. sativa(japonica)

RNA-seq表达谱分析显示OsEIL基因表达具有组织特异性。OsEIL1、OsEIL2和OsEIL3在多个组织中表达，其中OsEIL1在胚乳中高表达，OsEIL3在叶片和雌蕊中高表达。OsEIL6和OsEIL7（串联重复对）表达模式相似，可能具有功能冗余或亚功能化。

本研究首次对粳稻EIN3/EIL转录因子家族进行了全基因组规模的系统鉴定和深入分析。研究不仅揭示了该家族基因的进化关系、保守结构域和表达特性，还通过启动子分析和蛋白互作预测阐明了其在激素信号整合和应激响应中的核心作用。尤为重要的是，研究发现了OsEIL1和OsEIL3等关键基因在粳稻生长发育中的重要功能，为理解粳稻乙烯信号通路的独特调控机制奠定了基础。这些发现不仅丰富了植物乙烯信号转导的理论知识，更为粳稻的分子育种，特别是针对抗逆性和产量性状的遗传改良，提供了宝贵的候选基因资源和理论指导。未来通过基因编辑（如CRISPR/Cas9）等技术对关键OsEIL基因进行功能验证和定向改良，有望培育出适应气候变化的高产、抗逆粳稻新品种，为全球粮食安全贡献力量。