内生真菌调控多年生黑麦草AP2/ERF转录因子家族全基因组分析及其在低氮胁迫响应中的关键作用

《BMC Genomics》：Genome-wide analysis of the AP2/ERF transcription factor superfamily in perennial ryegrass

本研究针对多年生黑麦草氮利用效率低的问题，通过全基因组鉴定172个LpAP2/ERF转录因子，系统解析其进化特征和表达模式。研究发现内生真菌感染条件下44个基因差异表达，其中LpAP2/ERF64和LpAP2/ERF164通过MAPK信号通路和植物激素信号转导途径显著增强宿主低氮胁迫耐受性，为禾本科作物氮高效育种提供新靶点。

　　

在温带地区广泛种植的多年生黑麦草(Lolium perenne L.)是一种重要的牧草和草坪草，但其生长过程中常面临土壤氮素不足的困境。提高氮利用效率成为生产优质高产饲草的关键措施。虽然拟南芥、水稻等模式植物中已鉴定出多个氮高效利用基因，但多年生黑麦草中相关基因的研究仍属空白。与此同时，内生真菌(Epichlo?)与多年生黑麦草形成的互利共生关系被证实能增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗能力，特别是在氮缺乏条件下能促进宿主氮吸收和利用。AP2/ERF转录因子超家族作为植物中最大的转录因子家族之一，在植物生长发育和胁迫响应中发挥关键调控作用，然而其在多年生黑麦草中的系统研究尚未见报道。

为了填补这一研究空白，张梅等研究人员在《BMC Genomics》上发表了题为"Genome-wide analysis of the AP2/ERF transcription factor superfamily in perennial ryegrass"的研究论文。该研究首次对多年生黑麦草AP2/ERF家族进行了全基因组鉴定和系统分析，并深入探讨了内生真菌调控下该家族基因在低氮胁迫响应中的表达模式和功能机制。

研究采用Hidden Markov Model(HMM)和BLASTP方法从多年生黑麦草基因组中鉴定出172个LpAP2/ERF基因，根据染色体分布将其重命名。通过最大似然法构建系统进化树，将基因分为AP2(25个)、ERF(84个)、DREB(59个)和RAV(4个)四个亚家族。基因结构和保守基序分析显示同一亚家族内成员具有较高的保守性。染色体定位发现160个基因分布在7条染色体上，其中6号染色体分布最多(35个)，而12个基因因无法定位到特定染色体被单独分类。

基因复制事件分析发现42对串联重复和21对片段重复基因，表明基因复制是LpAP2/ERF家族扩张的重要驱动力。与水稻的共线性分析显示129个同源基因对，其中LpAP2/ERF013、LpAP2/ERF082等基因与至少三个同源基因对相关，提示这些基因在AP2/ERF家族进化中具有重要作用。启动子顺式作用元件分析鉴定出69种潜在调控元件，包括激素响应元件(ABRE、GARE-motif等)、逆境响应元件(MBS、LTR等)和光响应元件(G-box、Box 4等)，表明LpAP2/ERF基因可能广泛参与植物生长发育和胁迫响应。

研究团队通过RNA-seq技术分析了内生真菌感染(EI)和未感染(EF)的多年生黑麦草在正常氮(CK)和低氮(LN)条件下LpAP2/ERF基因的表达模式。表型分析显示，低氮胁迫下，EI植株的地上部鲜重、干重、相对株高和叶绿素含量均显著高于EF植株，而电导率显著低于EF植株，表明内生真菌增强了宿主对低氮胁迫的耐受性。

转录组分析发现，在正常氮条件下，EI与EF植株相比有11个差异表达的AP2/ERF基因；低氮条件下，有11个基因差异表达。低氮胁迫诱导后，EI植株中有20个基因差异表达，EF植株中有28个基因差异表达。特别值得注意的是，39个基因在EI和EF植株中对氮饥饿均表现出强烈响应，而21个基因在正常和低氮条件下响应内生真菌感染。

GO和KEGG富集分析显示，44个差异表达基因主要富集在生物调控、细胞解剖实体、细胞内、结合和转录调控活性等生物学过程。其中LpAP2/ERF002、LpAP2/ERF043、LpAP2/ERF060、LpAP2/ERF064和LpAP2/ERF164参与MAPK信号通路-植物和植物激素信号转导途径。蛋白互作网络预测发现LpAP2/ERF064(ERF-B5)、LpAP2/ERF047(AP2)和LpAP2/ERF164(ERF-B5)处于网络核心位置，尤其是LpAP2/ERF064与最多蛋白存在互作关系。

qRT-PCR验证九个随机选择的基因表达趋势与RNA-seq结果高度一致，证实了转录组数据的可靠性。这些结果表明LpAP2/ERF基因在调控内生真菌-多年生黑麦草共生体低氮胁迫响应中发挥重要作用。

本研究首次在多年生黑麦草中全基因组规模鉴定了AP2/ERF转录因子超家族，系统解析了其进化关系和表达特征。研究发现内生真菌通过调控关键AP2/ERF基因表达增强宿主低氮耐受性，其中LpAP2/ERF64和LpAP2/ERF164被鉴定为核心调控因子。该研究不仅为理解AP2/ERF转录因子在植物-微生物互作中的功能提供了新视角，而且为禾本科作物氮高效育种提供了重要基因资源和理论依据。未来通过基因编辑和过表达等技术手段验证这些候选基因的功能，将有助于培育氮高效利用的多年生黑麦草新品种，对可持续农业发展具有重要意义。