紫苏ERF转录因子家族全基因组鉴定及关键基因PfABI4调控种子萌发和盐胁迫响应的分子机制研究

本研究针对紫苏(Perilla frutescens)中ERF转录因子家族功能未知的科学问题，通过全基因组鉴定获得186个PfERF成员，重点解析了ABA信号通路关键因子PfABI4的生物学功能。研究发现PfABI4通过抑制ARR6/7/15表达负调控种子萌发，并通过下调VTC2、APX1等基因表达影响盐胁迫响应。该研究为紫苏抗逆育种提供了重要候选基因，对油料作物种质创新具有重要理论价值。

　　

在植物应对环境胁迫的复杂调控网络中，AP2/ERF转录因子家族扮演着关键角色。作为植物特有的转录调控因子，ERF家族成员通过识别GCC-box或DRE顺式元件，参与植物生长发育和逆境响应的精细调控。然而，在重要油料兼药用植物紫苏(Perilla frutescens)中，ERF家族的系统性研究仍属空白。更令人困惑的是，虽然ABA信号通路核心组分ABI4在模式植物拟南芥中的功能已有较深入解析，但其在紫苏等经济作物中的功能保守性和特异性调控机制仍不清楚。这些知识缺口严重制约了紫苏抗逆分子育种的进程。

针对这一科学问题，重庆师范大学生命科学学院的研究团队在《Plant Growth Regulation》发表了创新性研究成果。该研究首次完成紫苏全基因组ERF家族的系统鉴定，并深入解析关键成员PfABI4在种子萌发和盐胁迫响应中的分子机制。研究人员采用生物信息学与分子生物学相结合的策略，通过全基因组扫描鉴定出186个PfERF成员，构建系统进化树进行亚家族分类；利用qPCR技术分析组织特异性表达模式；通过亚细胞定位确定蛋白分布特征；最后构建过表达转基因株系，结合表型分析和靶基因表达检测，阐明PfABI4的生物学功能。

关键技术方法包括：基于AP2结构域(PF01161)的HMMER搜索进行全基因组鉴定；使用MEGA X构建最大似然法系统进化树；启动子顺式元件分析采用PlantCARE数据库；亚细胞定位通过p35S::PfABI4-GFP融合蛋白在烟草表皮细胞中观察；表型分析采用ABA(0.5-1.0μM)和NaCl(50-100 mM)处理转基因拟南芥种子；qPCR检测靶基因表达以PfActin7和AtUBC10为内参。

研究结果部分：

1. PfERF家族鉴定与特征分析：从紫苏基因组鉴定出186个含单个AP2结构域的ERF成员，分为ERF(68)和DREB(118)两大分支。基因结构分析显示80.11%成员不含内含子，15个保守基序中基序1、2、4、5普遍存在。染色体定位显示成员随机分布于20条染色体，16号染色体分布最多(24个)。

1. 系统进化与多序列比对：292个ERF蛋白(含拟南芥106个)聚类显示，PfABI4与拟南芥AtABI4(AT2G40220.1)亲缘最近，同属A3亚组。多重序列比对揭示五个保守区域：PEST序列、AP2关联基序、S/T区域、LRP基序和AP2结构域。

1. 表达模式分析：PfABI4仅在叶片和种子中表达，且随种子发育(5-30 DAF)显著上调。200 mM NaCl和100 μM ABA处理均能快速诱导PfABI4表达，4小时达峰值。

2. 亚细胞定位：PfABI4定位于细胞核和细胞膜，与其转录因子功能相符。

1. 功能验证：过表达PfABI4显著抑制拟南芥种子在ABA和NaCl条件下的萌发率及子叶绿化率，而abi4-1突变体表现相反趋势。qPCR证实PfABI4负调控ARR6、ARR7、ARR15等ABA信号基因，以及VTC2、APX1、GalDH、GLDH等氧化应激相关基因的表达。

研究结论与意义：

该研究首次系统鉴定了紫苏ERF转录因子家族，揭示PfABI4通过双重调控机制影响种子萌发和盐胁迫响应：一方面通过结合CE1顺式元件抑制ARR6/7/15表达，阻断细胞分裂素信号转导；另一方面通过下调抗坏血酸合成关键酶VTC2的表达，降低氧化应激防御能力。这一发现不仅丰富了植物ERF家族功能多样性的理论认知，更重要的是为紫苏分子育种提供了关键靶点基因。通过调控PfABI4表达水平，有望实现种子休眠特性与抗逆性的协同改良，对紫苏这一重要油料作物种质资源创新具有重要应用价值。研究采用的"全基因组鉴定-关键基因筛选-功能验证"研究范式，也为其他非模式植物转录因子功能解析提供了方法学参考。