小麦BES1基因家族的全基因组分析揭示其在籽粒发育中的关键调控作用

本研究针对小麦籽粒发育调控机制尚未明确的科学问题，系统开展了BES1基因家族的全基因组鉴定与功能分析。研究人员通过生物信息学分析鉴定出19个TaBES1基因，发现其启动子含有与籽粒发育相关的顺式作用元件，RNA-seq和qRT-PCR分析证实多个TaBES1基因在籽粒灌浆期特异性表达，酵母双杂交实验表明TaBES1蛋白无自激活活性但可能通过蛋白互作参与淀粉代谢。该研究为解析小麦籽粒发育的分子机制提供了重要理论依据，对提高小麦产量和品质具有重要指导意义。

　　

小麦作为全球种植面积最广的粮食作物，其产量和品质的提升对保障全球粮食安全具有重要意义。籽粒灌浆期是小麦产量和品质形成的关键阶段，这个生物学过程表现为籽粒长度、宽度、高度和体积的逐渐增加，以及干物质和水分的持续积累。然而，调控小麦籽粒发育的分子机制尚未完全阐明。BRI1-EMS SUPPRESSOR1（BES1）基因家族作为植物特有的转录因子，最初被发现在油菜素内酯信号转导中发挥特异性调控作用，对植物生长发育和逆境响应具有至关重要的意义。虽然BES1基因家族在多种植物中已有广泛研究，但在小麦籽粒发育中的系统分析仍显不足。

为了深入探究BES1基因家族在小麦籽粒发育中的调控作用，山西农业大学的研究团队在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果。研究人员利用中国春（Chinese Spring）小麦的最新基因组数据，采用基因组搜索方法对TaBES1基因家族进行了全面的生物信息学分析。

研究采用了多种关键技术方法：基于IWGSC v2.1基因组数据的全基因组鉴定技术、系统进化分析和保守结构域预测、基因共线性分析和Ka/Ks计算、启动子顺式作用元件分析、利用公共数据库和自测RNA-seq数据的表达谱分析（样本包括Yaomai36、Pinyu8175、Pinyu8155和Yaomai30四个冬小麦品种的籽粒灌浆期材料）、qRT-PCR验证实验、酵母双杂交自激活检测以及蛋白互作网络预测。

Conserved domains and basic information of TaBES1s

研究人员共鉴定出19个TaBES1基因，并将其重命名为TaBES1-1A至TaBES1-7D。这些基因均包含典型的碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）保守结构域，其中碱性区域由18-20个氨基酸组成，位于bHLH结构域的N末端，作为DNA结合位点；而HLH区域位于C末端，依靠疏水氨基酸的相互作用形成HLH蛋白的同源或异源二聚体。TaBES1基因的氨基酸长度在178-686之间，CDS序列长度在537-2061 bp之间，分子量范围为19.27-75.48 kDa，等电点在5.4-9.4之间。亚细胞定位预测显示所有TaBES1蛋白均定位于细胞核。

Phylogenetic relationships,chromosome distribution,and collinearity analysis of TaBES1s

通过构建小麦、水稻和拟南芥BES1基因的系统进化树，研究发现TaBES1基因家族可分为四个亚家族（I、II、III和IV），这与先前的研究分类一致。其中亚家族IV包含的TaBES1数量最多（9个），亚家族II有4个，而亚家族I和III各包含3个成员。染色体定位分析显示19个TaBES1基因不均匀分布在14条染色体上。共线性分析表明，19个TaBES1基因形成了17对同源基因对，且均为片段重复，说明片段重复是TaBES1基因扩增的主要机制。所有同源基因对的Ka/Ks值均显著小于1，表明BES1基因家族在小麦进化过程中经历了强烈的纯化选择。

Analysis of gene structure and conserved motifs of TaBES1s

基因结构分析显示TaBES1s由2-10个外显子和1-9个内含子组成。亚家族I、III和IV各包含两个外显子，而亚家族II则有8-10个外显子，显著多于其他三个亚家族，这表明不同亚家族的TaBES1s可能存在功能差异。保守基序分析发现motif1和motif2在进化过程中较为保守，分布于所有TaBES1蛋白中。此外，不同亚家族的保守基序存在差异，如motif8、motif9和motif10仅存在于亚家族II中，而亚家族I仅包含motif1和motif2。

Analysis of cis-acting elements in the promoter of TaBES1s

启动子顺式作用元件分析共鉴定出18种功能性顺式作用元件。6个TaBES1基因含有GCN4_motif（胚乳表达调控元件）或RY-element（种子特异性元件），表明这些基因可能与籽粒发育相关。此外，在所有TaBES1基因中均发现茉莉酸甲酯（MeJA）响应元件和光响应元件。

Haplotype analysis of TaBES1s

利用鲁斐重测序数据对19个TaBES1基因进行SNP分析，发现TaBES1-1D/2A/3A/2B/4B/6D/7A没有遗传变异，表明这些基因在不同环境中具有相对稳定性和增强的适应性。在具有遗传变异信息的12个TaBES1基因中，仅有3个基因（TaBES1-2D/3D/5A）存在主要单倍型。

Expression pattern analysis of TaBES1s based on RNA-Seq

利用RNA-seq数据分析TaBES1基因在不同组织中的表达模式，发现大多数TaBES1在雄蕊和花药中表达，少数基因在根和茎中表达，但没有基因在叶片中表达。籽粒发育过程中的表达分析显示，除TaBES1-2A/2B/2D/6B/6D外，其他基因在籽粒发育过程中均有表达。在不同非生物胁迫下的表达分析表明，TaBES1基因在盐胁迫、热胁迫、干旱胁迫和ABA胁迫下均有表达。

Assessment of expression levels of TaBES1s

qRT-PCR分析显示，在四个小麦品种的籽粒发育过程中均能检测到TaBES1基因的表达。TaBES1-6和TaBES1-7的表达水平在四个品种中没有显著变化；TaBES1-1的表达水平在四个品种中逐渐降低；TaBES1-5的表达趋势在四个品种中相似，先下降后上升；而TaBES1-1/3/4在四个品种中表现出特异性表达模式。

Transcriptional autoactivation and protein-protein interaction analysis of TaBES1s

酵母双杂交实验表明所有TaBES1蛋白均无自激活活性，说明其调控功能依赖于与特定伴侣转录因子或其他调控蛋白的相互作用。蛋白互作预测分析显示，TaBES1-1和TaBES1-4的互作蛋白不仅参与淀粉代谢，还可能参与细胞信号转导过程。这些预测互作是通过基因邻域分析和文本挖掘分析推断得出的，置信度分数为0.945。

研究结论与讨论部分强调，TaBES1基因在小麦生长发育和胁迫响应中具有重要作用。与先前研究主要关注TaBES1在抗逆性和花药发育中的功能不同，本研究进一步证实了BES1基因在小麦籽粒发育中的潜在功能。研究发现多个TaBES1基因在籽粒灌浆期特异性表达，且其启动子中含有与籽粒发育相关的顺式作用元件，这表明TaBES1基因家族可能通过复杂的调控网络参与小麦籽粒发育过程。

特别值得注意的是，研究发现不同品种间TaBES1基因的表达存在显著差异。例如，TaBES1-3A仅在旱地小麦品种平育8155中检测到，表明它可能是旱地小麦籽粒灌浆的关键调控因子；而TaBES1-1D/3B/5B仅在中筋小麦品种中表达，可能只参与中筋小麦灌浆期的籽粒发育。这些发现强调了品种遗传背景对基因表达的重要影响，在今后的研究中需要仔细考虑品种效应对基因表达的影响。

该研究为深入解析小麦籽粒发育的分子机制提供了重要的候选基因，为通过分子育种手段提高小麦产量和品质奠定了理论基础。然而，研究者也指出，本研究尚未通过转基因或基因编辑等实验体系在功能水平上验证TaBES1在籽粒发育中的确切作用，结论仍基于关联分析的推测。后续研究将重点通过功能基因组学方法对关键TaBES1基因进行功能表征，以阐明它们在小麦中的具体功能。