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益母草（Leonurus japonicus）在生长过程中常受干旱胁迫影响，为探究其应对机制，研究人员开展了益母草 WRKY 基因家族在干旱胁迫下的转录组分析及全基因组鉴定研究。结果发现 67 个 LjWRKYs 基因，且该家族可能参与干旱胁迫响应。此研究为其功能验证提供依据。
在植物的生长旅程中，干旱就像一场可怕的 “旱灾”，无情地威胁着众多植物的生存与繁衍。益母草，作为一种广泛分布于亚洲且在传统中医领域有着重要地位的草本开花植物，也难以逃脱干旱的 “魔掌”。干旱胁迫不仅会影响益母草的正常生长发育，还可能改变其体内活性成分的合成与积累，进而降低其药用价值。然而，此前人们对益母草应对干旱胁迫的分子机制知之甚少，尤其是 WRKY 转录因子（TFs）在这一过程中扮演着怎样的角色，完全是个未知数。为了揭开这些神秘的面纱，探索益母草在干旱环境下的生存奥秘，山东理工大学生命科学与医学学院等机构的研究人员勇敢地踏上了探索之旅，开展了 “Transcriptome analysis and genome - wide identification of WRKY gene family in Leonurus japonicus under drought stress” 这项研究 。最终，他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为我们深入了解益母草的抗旱机制提供了宝贵的线索。
研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是转录组测序技术，通过对干旱胁迫前后的益母草进行转录组测序，全面分析基因表达的变化情况。其次是生物信息学分析方法，利用该方法在益母草基因组中鉴定出 WRKY 基因家族成员，并对其进行理化性质、结构和进化关系等方面的分析。此外，还采用了定量逆转录 PCR（qRT - PCR）技术，对转录组测序结果进行验证，确保研究结果的准确性。
下面来看看具体的研究结果：
- 模拟干旱胁迫对益母草的影响：研究人员使用不同浓度的聚乙二醇（PEG6000）模拟干旱胁迫处理益母草幼苗。结果发现，随着 PEG6000 浓度的升高和处理时间的延长，益母草叶片出现不同程度的萎蔫。同时，丙二醛（MDA）、脯氨酸和过氧化氢（H2O2）含量显著变化。MDA 作为膜脂过氧化的关键指标，其含量上升表明干旱胁迫严重破坏了细胞膜系统；脯氨酸作为重要的渗透调节剂，含量增加暗示其参与了干旱条件下的渗透调节和抗逆过程；H2O2作为活性氧（ROS）的代表分子，其积累量的增加，显示出 ROS 积累与干旱胁迫强度密切相关 。综合考虑，研究人员选择 12 h 的 40% PEG6000 处理作为后续研究的干旱胁迫条件。
- 转录组分析揭示基因表达变化：对干旱胁迫处理前后的益母草进行转录组测序，结果显示共有 4140 个基因表达发生显著差异，其中 1711 个基因上调，2429 个基因下调。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析表明，差异表达基因（DEGs）主要富集在丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路、植物激素信号转导通路、次生代谢产物生物合成通路等。同时，研究还鉴定出 67 个 WRKY 转录因子，这些基因的表达在干旱胁迫下发生了明显变化，凸显了 WRKY 基因家族在干旱胁迫响应中的重要性。
- LjWRKYs 的鉴定与分析：通过生物信息学方法，研究人员在益母草基因组中成功鉴定出 67 个 LjWRKYs 基因。这些基因分布在益母草的 10 条染色体上，但分布并不均匀。对 LjWRKYs 蛋白的理化性质分析发现，它们的分子量、等电点等存在差异，暗示其功能的多样性。亚细胞定位分析表明，大多数 LjWRKYs 蛋白主要位于细胞核中。此外，对 LjWRKYs 基因的内含子 - 外显子结构和保守基序分析发现，该家族基因在进化过程中发生了外显子的丢失和获得事件，且同一亚家族的蛋白基序组成相似，功能可能相近。
- LjWRKYs 的进化关系与表达模式：通过构建系统发育树，研究人员将 67 个 LjWRKYs 蛋白分为三组（Group I、Group II 和 Group III），其中 Group II 又进一步分为五个亚组（II - a、II - b、II - c、II - d 和 II - e）。多序列比对结果显示，不同组的 LjWRKYs 蛋白在 WRKY 结构域和锌指结构上存在差异。基因复制和共线性分析表明，片段复制在 LjWRKYs 基因家族的扩张中发挥了更重要的作用，且益母草与丹参（Salvia miltiorrhiza）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）的 WRKY 基因存在较高的同源性。对 LjWRKYs 基因启动子区域顺式作用元件分析发现，这些元件与多种生物过程相关，如胁迫响应、植物激素响应和生长发育调控等。组织表达模式分析显示，大多数 LjWRKYs 基因在叶和根中表达较高，部分基因呈现组织特异性表达。干旱胁迫下，一些 LjWRKYs 基因表达上调，而另一些则下调，表明它们在干旱胁迫响应中可能发挥不同的作用。
- LjWRKYs 在 MAPK 通路中的调控作用：研究发现 MAPK 通路在干旱胁迫下显著富集。进一步研究发现，在 MAPK 通路中，一些关键基因如 PYL/PYR、PP2C、SnRK2 等的表达在干旱胁迫下发生变化。含有 W - box 结构的基因，如$LjLjLjLj$22021（MAPKKK）等，其启动子区域显著上调，暗示它们可能是 LjWRKYs 转录因子的靶基因，通过调控这些基因，MAPK 信号通路能够有效响应干旱胁迫，帮助植物适应逆境。
在讨论部分，研究人员指出干旱胁迫对植物，尤其是药用植物的生长和药用特性有着深远的影响。转录组测序揭示了益母草对干旱胁迫的分子响应机制，其中 MAPK 和植物激素信号通路发挥了重要作用。与其他植物相比，益母草的 WRKY 基因家族在数量和结构上具有一定的特点，其结构变异可能是益母草适应环境的一种机制。此外，研究还发现 MAPK 信号通路在植物的渗透调节、氧化防御和免疫响应中起着关键作用，而 LjWRKYs 转录因子可能通过 ABA 介导的 MAPK 信号通路增强益母草的干旱耐受性。
总的来说，这项研究在生理和分子水平上深入探究了益母草对干旱胁迫的响应机制。研究人员成功鉴定出 67 个 LjWRKYs 基因家族成员，并对其进行了全面的分析。研究结果表明，WRKY 基因家族可能通过 ABA - MAPK 信号级联在益母草的干旱响应中发挥关键作用。这一研究成果为深入了解益母草耐旱的分子机制提供了重要依据，也为提高药用植物的干旱胁迫耐受性提供了潜在的靶点，在农业生产和药用植物资源保护方面具有重要的理论和实践意义。
