《Horticulturae》：Genome-Wide Identification of the IQD Gene Family in Eggplant and Effects of SmIQD9 Overexpression on Tomato Fruit Shape
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IQ67结构域（IQD）基因家族是一个植物特有的蛋白家族，参与钙信号转导、微管动力学和器官形态建成，已在多种作物中被证实具有调控果形的功能。然而，关于茄子（Solanum melongena L.）——一种具有显著果形多样性的全球重要蔬菜作物——中该家族的研究
IQ67结构域（IQD）基因家族是一个植物特有的蛋白家族，参与钙信号转导、微管动力学和器官形态建成，已在多种作物中被证实具有调控果形的功能。然而，关于茄子（Solanum melongena L.）——一种具有显著果形多样性的全球重要蔬菜作物——中该家族的研究仍十分有限。本研究对茄子IQD家族进行了全基因组鉴定，并表征了SmIQD9在果形调控中的功能。在茄子基因组中共鉴定到30个IQD基因，命名为SmIQD1至SmIQD30。这些基因不均匀地分布在10条染色体上，片段重复（segmental duplication）是家族扩增的主要驱动力。系统发育分析将来自茄子、拟南芥、水稻和番茄的IQD蛋白分为八个组群，揭示了保守亚群和谱系特异性亚群的存在。基因结构和基序分析表明，SmIQD蛋白共享保守的IQ67结构域，但表现出显著的结构多样性，亚家族特异性基序提示功能特化。发育中卵巢的表达谱分析揭示了三个不同的表达分支，其中C2分支成员——包括SmIQD9——在开花前10天或7天（DBA，days before anthesis）出现瞬时表达峰值，恰逢果形决定的关键窗口期。SmIQD9在番茄中的异源过表达导致果实显著伸长、果宽减小以及果形指数（fruit shape index）增加。组织学分析表明，SmIQD9主要通过促进细胞扩张来推动果实伸长。综上所述，本研究为茄子IQD家族提供了全面的基因组学框架，并鉴定SmIQD9为果实伸长的正向调控因子之一，为未来茄子果形的分子育种提供了有前景的候选基因。
论文解读
一、研究背景与科学问题
果形是园艺作物最重要的农艺性状之一，不仅直接决定商品外观和市场价值，还与产量形成、加工适应性和机械采收效率密切相关。IQ67结构域（IQD）基因家族是一个植物特有的蛋白家族，以含有保守的67个氨基酸的IQ67结构域为特征，该结构域包含重复的IQ、1-5-10和1-8-14钙调素结合基序。IQD蛋白参与钙信号转导、微管动力学调控、植物发育及非生物胁迫响应，在单子叶和双子叶植物中均发挥重要作用。此前已在多种作物中报道了该家族，包括拟南芥（33个）、水稻（29个）、番茄、黄瓜、葡萄、小麦和玉米等，家族成员数量从20到60不等，在多倍体作物如小麦中显著扩张。
在果形调控方面，IQD基因家族已被证实发挥关键作用。番茄中SUN是IQD家族成员，通过调控果实发育过程中的细胞分裂模式来控制果形，过表达SlSUN导致果实极度伸长；西瓜中ClFS1被定位到3号染色体上的主效位点，IQD基因Cla011257中159 bp的缺失与果形共分离；水稻中OsIQD14功能破坏产生更短更宽的种子，而过表达则产生更长更窄的种子；辣椒中CaSUN29在果实发育早期特异表达，通过影响果皮细胞扩张来调控果实伸长。这些研究表明IQD基因在植物果形控制中发挥保守作用。
茄子（Solanum melongena L.）是茄科最重要的经济作物之一，果形多样，已被划分为13个不同类别，果形影响市场分类、消费者选择、品种鉴定和不同地区的育种目标。尽管在近缘物种如番茄中果形调控机制已被相对系统地阐明，但茄子中的相关研究仍然有限。目前仅报道了少数与果形相关的候选SUN/IQD基因，例如QTL-seq分析在3号染色体上鉴定到一个果长QTL，提出两个IQD基因为候选基因；进一步精细定位表明Smechr0302217是通过促进细胞扩张调控茄子果实伸长的最佳候选基因。鉴于IQD在果形调控中的重要作用，亟需在茄子中系统鉴定IQD基因家族并表征其功能。本研究正是基于这一科学需求，对茄子IQD基因家族进行全基因组鉴定和功能分析。
二、研究内容与主要结论
研究人员从茄子参考基因组（Eggplant-HQ V2.0）中，以拟南芥、水稻和番茄的IQD蛋白序列为查询序列进行BLASTP搜索，结合Pfam、SMART和NCBI保守结构域数据库（CDD）验证IQ67结构域的存在，最终在茄子基因组中鉴定到30个IQD基因，命名为SmIQD1至SmIQD30。这些基因不均匀地分布在10条染色体上（Chr01、02、03、04、06、08、09、10、11、12），其中Chr08和Chr10各含5个成员，数量最多，而Chr05和Chr07上未检测到SmIQD基因。SmIQD蛋白长度从133个氨基酸（SmIQD5）到885个氨基酸（SmIQD12）不等，等电点（pI）范围为5.97至11.86，分子量从15.33 kDa到97.23 kDa。系统发育分析将来自茄子、拟南芥、水稻和番茄的121个IQD蛋白分为八个组群（Group I-VIII），其中Group I-VII为四个物种共有，Group VIII仅存在于水稻和拟南芥中，在番茄和茄子中缺失，表明该组群可能在番茄和茄子分化后丢失。基因结构和保守基序分析显示，所有SmIQD基因均含有内含子，外显子数目从2到7不等，Motif1和Motif6是家族中最保守的基序，与IQ结构域（PF00612）位置高度重合。亚家族特异性基序如Class I特有的Motif10和Class II特有的Motif8提示功能特化。共线性分析表明11对SmIQD基因位于重复的基因组区域，未检测到串联重复，片段重复是家族扩增的主要驱动力。茄子与番茄、拟南芥、水稻的比较共线性分析分别鉴定到30、18和8个共线性基因对。表达分析将30个SmIQD基因分为三个分支：C1分支在7 DBA或0 DPA高表达；C2分支在10 DBA或7 DBA达到表达峰值，呈现先升后降的模式；C3分支在幼嫩花蕾（YB）阶段高表达后逐渐下降。SmIQD1、SmIQD17和SmIQD26在所有阶段表达量极低或未检测到。研究人员选取C2分支成员SmIQD9进行功能验证，通过农杆菌介导的转化将其在番茄（Microtom）中异源过表达。获得16个独立转基因株系，选取3个高表达株系（SmIQD9^OE^-1、SmIQD9^OE^-2和SmIQD9^OE^-3）进行表型分析。结果显示，过表达株系的叶片显著更长更宽，但叶形指数无显著差异；果实长度分别显著增加19%、14%和18.4%，果宽显著减小，果形指数显著升高，果实更加伸长。组织学分析表明，过表达株系的子房长度显著增加，宽度显著减小，子房形状指数显著升高，且成熟果实中形状指数的增幅（约40-90%）大于开花期子房（26-38%）。细胞学分析显示，三个过表达株系的细胞面积分别显著增加约50.4%、77.4%和45.2%，而近远轴（PD）方向细胞数分别减少约20.1%、23.0%和19.7%，中边轴（ML）方向细胞数分别减少约37.5%、31.3%和33.9%，表明SmIQD9主要通过促进细胞扩张来影响子房和果实发育。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：基于BLASTP的同源搜索结合Pfam、SMART和NCBI CDD多平台验证鉴定IQD基因家族成员；利用MEGA 12软件以邻接法（Neighbor-Joining）构建系统发育树，采用泊松校正模型和1000次自举检验；使用GSDS工具分析基因结构，MEME工具鉴定保守基序；采用TBtools中的One Step MCScanX Super Fast流程进行共线性分析；利用此前研究产生的RNA-seq数据（样本来源为茄子自交系‘14-345’，采集幼嫩花蕾（YB）及开花前10天（10 DBA）、开花前7天（7 DBA）和开花后0天（0 DPA）的发育中卵巢，每个组织3-4个生物学重复）进行表达分析；通过农杆菌介导法将SmIQD9过表达载体转化番茄（Microtom），采用RT-qPCR验证表达水平；使用石蜡切片结合番红O和固绿染色进行组织学分析，ImageJ软件定量细胞数目和细胞面积。
四、研究结果
3.1 茄子基因组中IQD基因的鉴定：以33个AtIQDs、27个OsIQDs和31个SlIQDs为查询序列，通过BlastP搜索茄子基因组，经冗余去除和IQ67结构域验证后获得30个SmIQD蛋白。SmIQD基因分布在10条染色体上，Chr08和Chr10各含5个成员，Chr05和Chr07上无SmIQD基因。SmIQD蛋白长度133-885个氨基酸，pI值5.97-11.86，分子量15.33-97.23 kDa。SmIQD12经验证为单一基因模型，包含一个连续的2658 bp开放阅读框，编码含典型IQ67结构域的885个氨基酸蛋白。
3.2 SmIQD家族的系统发育分析：基于121个IQD蛋白（33个AtIQDs、27个OsIQDs、31个SlIQDs和30个SmIQDs）构建无根邻接系统发育树，分为八个组群。Group I-VII为四物种共有，Group VIII仅存在于水稻和拟南芥中。Group II在拟南芥中扩张，Group V在水稻中扩张，Group III和VII在双子叶植物中扩张，Group IV在水稻和茄子中扩张。基因结构分析显示所有SmIQD基因均含内含子，多数成员外显子数为4-7个，同一类群成员具有相似的基因结构。MEME分析鉴定到10个保守基序，Motif1和Motif6与IQ结构域（PF00612）位置重合，是所有成员共有的关键基序。Class I特有Motif10，Class II特有Motif8，提示亚家族功能特化。
3.3 茄子、拟南芥、番茄和水稻IQD基因的共线性分析：鉴定到11对SmIQD基因位于重复的基因组区域，未检测到串联重复对，表明片段重复是SmIQD家族扩增的主要机制。比较共线性分析在茄子-拟南芥、茄子-水稻和茄子-番茄比较中分别鉴定到18、8和30个共线性基因对。SmIQD15和SmIQD29位于茄子、拟南芥和番茄共有的保守共线性区块中，表明这些直系同源关系可能早于祖先谱系分化。
3.4 SmIQD基因在子房发育中的表达分析：基于RNA-seq数据的表达分析将30个SmIQD基因分为三个分支。C1分支在YB和10 DBA低表达，在7 DBA或0 DPA高表达；C2分支呈现先升后降模式，在10 DBA或7 DBA达到峰值；C3分支在YB阶段高表达后逐渐下降。SmIQD1、SmIQD17和SmIQD26在所有阶段表达量极低或未检测到，可能仅在特定组织或特定条件下发挥功能。
3.5 通过番茄异源过表达对SmIQD9进行功能表征：选取C2分支成员SmIQD9进行功能分析，原因在于C2基因在开花前（10-7 DBA）这一果形决定关键窗口期表达量相对较高，且SmIQD9在系统发育上与位于3号染色体的果长候选基因SmeFL（Smechr0302217；SmIQD8）密切相关。在番茄中异源过表达SmIQD9后，获得16个独立转基因株系，选取3个高表达株系进行表型分析。过表达株系叶片显著更长更宽但叶形指数无显著差异；果实长度显著增加19%、14%和18.4%，果宽显著减小，果形指数显著升高。子房长度显著增加8.2%、17%和13.6%，子房宽度显著减小，子房形状指数显著升高，表明子房形状差异在开花期已显现。细胞学分析显示细胞面积显著增加约50.4%、77.4%和45.2%，PD方向细胞数减少约20.1%、23.0%和19.7%，ML方向细胞数减少约37.5%、31.3%和33.9%，表明SmIQD9主要通过促进细胞扩张来影响果实发育。
五、讨论与结论
讨论部分指出，鉴定到的30个SmIQD成员使茄子处于二倍体双子叶植物的典型范围内，与拟南芥的33个和番茄的31个IQD基因数量相近，但不同于小麦等多倍体作物中扩张的基因库。片段重复而非串联重复是SmIQD家族扩增的主要驱动力，这与葡萄和玉米中的发现一致。基因结构和基序分析揭示了SmIQD成员在共享核心IQ结构域的同时具有显著的结构多样性，亚家族特异性基序可能介导不同的蛋白-蛋白相互作用或翻译后修饰，赋予亚家族功能特化。共线性分析表明SmIQD15和SmIQD29与拟南芥和番茄中的直系同源基因存在深层的保守祖先模块，SmIQD24和SmIQD25与SlSUN（SlIQD26）的共线性关系强烈提示它们可能参与果实形态建成的调控。基因ID映射显示SmIQD9对应于Smechr0303606（E03: 95,479,157-95,482,104），位于3号染色体fl3.1区间（E03: 82,222,982-82,329,608）之外，因此SmIQD9在系统发育上与SmeFL（SmIQD8）密切相关，但并非fl3.1候选基因本身。C2分支成员包括SmIQD9在10 DBA或7 DBA的瞬时表达峰值恰好落在果形决定的关键准备期，这一时间模式与C1和C3分支明显不同。SmIQD9过表达在番茄中产生的果实伸长表型与SlSUN和ClIQD24的表型相似，且子房形状差异在开花期已显现，成熟期进一步加大，表明SmIQD9主要通过增强细胞扩张促进果实伸长，表型在开花期启动并在果实生长过程中进一步加剧。
研究结论为：本研究建立了茄子IQD基因家族的全面基因组和功能框架，鉴定到30个IQD基因，片段重复是家族扩增的主要驱动力；SmIQD9被鉴定为果实伸长的正向调控因子，通过促进细胞扩张发挥作用，为茄子果形的分子育种提供了有前景的候选基因。
