揭示麻疯树 JcHDZ25 基因奥秘：开启作物抗旱分子育种新征程

《BMC Genomics》：Heterologous expression of physic nut JcHDZ25 confers tolerance to drought stress in transgenic rice

为探究 HD-Zip 家族基因在麻疯树干旱适应中的功能，研究人员开展了对麻疯树 JcHDZ25 基因的功能研究。结果发现 JcHDZ25 能增强转基因水稻的耐旱性和 ABA 敏感性，该研究为作物抗逆遗传改良提供了新方向。

　　在广袤的大自然中，干旱就像一个 “无情杀手”，严重影响着作物的生长和产量。植物为了在干旱环境中生存，进化出了各种应对机制，其中转录因子起着关键作用。HD-Zip 家族作为植物特有的转录因子，参与植物发育和逆境适应，但在麻疯树这类非模式生物中，其相关基因在干旱适应方面的功能研究还十分有限。麻疯树是一种极具潜力的生物能源作物，它能在贫瘠土壤中生长，并且具有很强的耐旱能力，这使得它成为挖掘耐旱基因的宝贵资源。为了深入了解麻疯树的耐旱奥秘，来自周口师范学院生命科学与农学院等机构的研究人员，对麻疯树中的 JcHDZ25 基因展开了研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上，为作物的遗传改良提供了重要的理论依据和实践指导。

研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是生物信息学分析，通过多种在线工具对 JcHDZ25 蛋白的序列、结构和理化性质进行预测；其次利用实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）技术分析基因表达情况；通过亚细胞定位实验确定蛋白在细胞中的定位；构建转基因水稻，对 JcHDZ25 基因功能进行验证；最后进行各种生理指标的测定，探究基因功能的内在机制。

下面来看具体的研究结果：

1. JcHDZ25 基因的分离与生物信息学分析：研究人员从麻疯树根部组织的 cDNA 模板中扩增出 JcHDZ25 基因，其开放阅读框（ORF）为 876bp，编码 291 个氨基酸，预测分子量为 33.74kDa，等电点为 5.45。序列分析表明，JcHDZ25 含有保守的 HD 和 LZ 结构域，属于 HD-Zip I 亚家族，与玉米 Zmhdz9 和拟南芥 ATHB12 序列相似性较高。
2. JcHDZ25 基因的表达谱：qRT-PCR 分析显示，JcHDZ25 在麻疯树的根中表达量最高，其次是叶、茎皮层、花和种子。在干旱胁迫和 ABA 处理下，JcHDZ25 在麻疯树叶片中的表达显著上调，表明该基因对干旱和 ABA 响应明显。
3. JcHDZ25 蛋白的亚细胞定位：将 35S::JcHDZ25-GFP 融合构建体转化到拟南芥叶肉原生质体中，激光共聚焦显微镜观察发现，JcHDZ25 蛋白定位于细胞核，这符合其作为转录因子的特征。
4. JcHDZ25 转录活性分析：将 JcHDZ25 编码序列克隆到酵母表达载体 pGBKT7 中，转化酵母菌株 AH109。结果显示，含有 pGBKT7-JcHDZ25 的酵母在筛选培养基上形成蓝色菌落，表明 JcHDZ25 具有转录激活活性。
5. JcHDZ25 转基因水稻的表型分析：研究人员构建了 JcHDZ25 过表达的转基因水稻株系。在正常生长条件下，转基因水稻与野生型在形态和农艺性状上无明显差异。但在干旱胁迫下，转基因水稻的耐旱性显著增强，相对电解质渗漏率更低，存活率更高。
6. 干旱诱导的生理变化：在干旱胁迫下，转基因水稻积累了更多的脯氨酸，丙二醛（MDA）含量更低，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性更高，表明其渗透保护机制和抗氧化能力增强。
7. JcHDZ25 增强水稻对 ABA 的敏感性：在含有 ABA 的培养基中，转基因水稻幼苗的根和地上部分生长受到更明显的抑制，说明 JcHDZ25 增强了水稻对 ABA 的敏感性，可能通过 ABA 介导的信号通路提高耐旱性。
8. 胁迫响应基因的表达：qRT-PCR 分析发现，在干旱胁迫下，转基因水稻中参与抗氧化、渗透调节和 ABA 信号通路的相关基因（如 OsAPX2、OsCATA、OsLEA3、OsP5CS、OsDREB2A、OsADC1、OsNCED3 和 OsRD29A）表达上调，表明 JcHDZ25 通过调控这些基因增强水稻的耐旱性。

研究结论和讨论部分指出，JcHDZ25 是一个具有转录激活活性的核定位蛋白，通过激活抗氧化防御系统、诱导渗透保护物质合成和上调 ABA 响应基因，正向调节水稻的耐旱性。虽然与玉米 Zmhdz9 有较高序列相似性，但二者在耐旱机制上存在差异，JcHDZ25 更侧重于激活渗透调节和抗氧化途径。此外，将 JcHDZ25 从麻疯树转移到水稻中，成功提高了水稻的耐旱性，且未影响其在非胁迫条件下的农艺性状，这为利用野生植物基因改良作物提供了可行性。未来研究可进一步通过田间试验评估其在实际生产中的效果，利用分子生物学技术深入解析其调控网络，为作物抗旱育种提供更有力的支持。总之，这项研究不仅加深了我们对 HD-Zip 家族转录因子功能的理解，也为培育耐旱作物品种开辟了新途径，在农业应对气候变化的挑战中具有重要的应用价值。