棉花ANK基因家族全基因组鉴定及GhANK169在热胁迫响应中的功能研究

本研究针对高温严重损害棉花产量和品质的问题，对棉花ANK（Ankyrin-repeat）基因家族进行全基因组鉴定，重点解析ANK-TM亚家族成员GhANK169在热胁迫中的功能机制。通过VIGS（病毒诱导基因沉默）和异源过表达实验，证实GhANK169通过调控ABA信号、ROS清除及内质网蛋白质量控制等通路增强棉花耐热性，为作物抗逆育种提供新靶点。

　　

论文解读

在全球气候变化背景下，高温胁迫已成为制约棉花生产的首要非生物胁迫因素。当温度超过棉花生理耐受阈值时，会导致光合效率下降、花粉败育和纤维品质劣变，造成严重经济损失。尽管植物已进化出热激蛋白（HSPs）上调、抗氧化防御等应对机制，但棉花耐热性的分子调控网络仍存在大量未知环节。ANK（Ankyrin-repeat）蛋白作为植物中最大的超家族之一，虽在拟南芥、水稻等模式植物中被证实参与逆境响应，但其在棉花中的功能研究几乎空白。尤其值得注意的是，ANK-TM亚家族因与动物温度敏感型TRPA通道蛋白结构相似，可能成为解析植物热应答机制的关键突破口。

为解决这一科学问题，石河子大学生命科学学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表了题为"Genome-wide identification of the cotton ANK gene family and functional study of GhANK169 in response to heat stress"的研究论文。该研究通过全基因组分析鉴定出356个棉花ANK基因，锁定ANK-TM成员GhANK169为核心热响应因子，结合多组学手段揭示其通过协调ABA信号、氧化还原稳态和蛋白质质量控制网络赋予棉花耐热性的分子机制，为作物抗逆遗传改良提供了理论依据和候选基因。

研究采用的关键技术包括：（1）基于PF00023隐马尔可夫模型的ANK基因全基因组鉴定；（2）病毒诱导基因沉默（VIGS）构建GhANK169敲低棉花株系；（3）农杆菌介导的GhANK169烟草异源过表达；（4）生理指标检测（REL相对电解质渗漏率、MDA丙二醛含量等）；（5）RNA-seq转录组测序与KEGG/GO富集分析。实验材料选用标准TM-1棉花品种及本氏烟草。

研究结果

ANK基因家族鉴定与分类
通过生物信息学分析在陆地棉中鉴定出356个ANK基因（GhANK1-GhANK356），依据结构域特征划分为12个亚家族。ANK-TM亚家族含120个成员，其启动子富含HSF（热激因子）和ABA响应元件，暗示其在热胁迫中的潜在作用。共线性分析显示ANK家族进化以纯化选择为主，但GhANK169等3个基因呈现正向选择（Ka/Ks>1），提示其可能在适应性进化中发挥特殊作用。

ANK-TM亚家族响应热胁迫
转录组数据分析发现ANK-TM成员在42°C处理下显著上调，其中GhANK169表达量增加8.7倍。RT-qPCR验证显示，GhANK169在热胁迫6小时即快速响应，其表达模式与转录组数据高度吻合（R=0.94）。

GhANK169沉默加剧热敏感性
VIGS技术使GhANK169表达量降低52%后，42°C处理24小时导致棉花出现严重萎蔫症状，叶片相对含水量（RWC）下降31%，而对照植株仅轻微卷曲。生理检测显示沉默植株的O₂^-和H₂O₂含量分别增加1.8倍和2.1倍，抗氧化酶（SOD、CAT）活性降低40%-60%，DAB/NBT染色显示氧化损伤加剧。

过表达GhANK169增强耐热性
在烟草中过表达GhANK169可使植株在42°C下维持较好表型，REL和MDA含量较野生型降低35%-42%。应激基因（NtHSP90、NtAPX等）表达量提升2-4倍，表明GhANK169可能通过激活热防御相关基因网络发挥作用。

转录组揭示分子机制
比较VIGS与对照植株的转录组发现：1）ABA信号通路关键基因NCED3（ABA合成酶）下调而ABA8H（ABA降解酶）上调；2）内质网蛋白质量控制相关基因（HSP70、calreticulin）表达受抑；3）细胞骨架运输蛋白（Actin7）和谷胱甘肽代谢酶（GST）显著下调。Venn分析鉴定出39个核心热响应基因，其中HSP70L2、GST3和NRX1（核硫氧还蛋白）在三个比较组中共同差异表达。

蛋白互作网络预测
STRING分析显示GhANK169可能通过LRR-RLK（富含亮氨酸重复受体激酶）与PP2C（ABA信号负调控因子）、HSF等蛋白互作，进而调控SnRK2-PYL信号模块。

结论与意义
该研究首次系统解析了棉花ANK基因家族，证实GhANK169通过三重机制增强耐热性：1）维持ABA信号通路正常运转，避免气孔调节失调；2）激活HSP70等分子伴侣保障蛋白质稳态；3）增强抗氧化系统清除ROS。这一发现不仅填补了ANK蛋白在作物热胁迫响应中的功能空白，其揭示的"ABA-ROS-蛋白质质量控制"协同调控网络为多基因协同育种提供了新思路。研究建立的VIGS技术体系和高通量筛选方法，也为棉花其他抗逆基因的功能研究提供了范式。未来可通过创制GhANK169过表达棉花材料，进一步验证其在田间高温条件下的应用潜力。