水稻MYB转录因子全基因组鉴定及抗逆关键基因功能解析

《Scientific Reports》：Comprehensive genome-wide identification and analysis of MYB transcription factors related to abiotic and biotic stress regulation in rice

本研究针对水稻非生物与生物胁迫调控网络中的关键调控因子尚不明确的问题，通过全基因组范围系统鉴定MYB转录因子家族，结合蛋白质相互作用网络分析和多种生物信息学工具，筛选出12个与胁迫响应相关的关键基因(OsMYB91、OsMYB103等)。研究发现这些基因在进化上高度保守，含有丰富的激素响应顺式元件，表达分析表明它们在水稻应对高温、盐胁迫等逆境中发挥重要作用。该研究为培育抗逆水稻新品种提供了重要的基因资源和理论依据。

　　

在水稻生产面临日益严峻的环境挑战背景下，非生物胁迫（如高温、干旱、盐碱）和生物胁迫（如病原菌感染）严重制约着水稻的产量和品质。作为植物中最大的转录因子家族之一，MYB转录因子在植物应激响应中扮演着关键角色，然而水稻MYB家族中哪些成员在胁迫应答中起核心调控作用，这一科学问题尚未得到系统解答。

近期发表在《Scientific Reports》的一项研究为解决这一问题提供了重要突破。研究人员通过整合多种生物信息学方法和实验验证，首次在全基因组范围内系统鉴定了水稻MYB转录因子家族中与抗逆性相关的关键调控基因。

研究团队首先从公共数据库获取了183个水稻MYB转录因子，通过蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络构建和CytoHubba算法分析，筛选出12个关键基因(KGs)。这些基因包括OsMYB91、OsMYB103、OsMYB124等，分布在除3、4、5、10和11号染色体外的7条染色体上。

研究人员进一步对这些关键基因进行了系统的生物信息学分析。系统进化分析将12个关键基因划分为3个亚家族，基因结构分析显示它们含有1-10个保守基序，启动子区域含有脱落酸(ABA)、茉莉酸甲酯(MeJA)、生长素(Aux)、赤霉素(GA)和水杨酸(SA)等多种激素响应元件，这为理解它们参与复杂胁迫响应机制提供了线索。

同源基因表达模式分析表明，这些关键基因在不同植物物种中具有功能保守性。基因本体(GO)富集分析显示它们主要参与基因表达调控、转录因子活性和核定位等生物学过程。特别值得注意的是，表达谱分析发现这些基因在干旱、盐、冷、热等非生物胁迫以及病原菌感染等生物胁迫下均呈现显著差异表达。

为验证生物信息学分析结果，研究团队进行了实验验证。通过qRT-PCR(实时荧光定量PCR)技术检测了水稻在44°C高温和120mM NaCl盐胁迫下不同时间点(0.5h、3h、12h)这些关键基因的表达变化。结果显示，OsMYBR17、OsMYBR63、OsMYBR62和OsMYBR11在热胁迫0.5小时即出现强烈诱导表达，而OsMYB91、OsMYB103、OsMYB124等基因则呈现逐渐上升的表达模式。在盐胁迫下，OsMYBR5、OsMYBR11、OsMYBR17和OsMYBR21等基因在0.5小时表现出显著上调。

本研究采用的主要技术方法包括：从GRASSIUS数据库获取MYB转录因子序列；使用STRING数据库和Cytoscape软件构建蛋白质相互作用网络；通过CytoHubba算法的五种拓扑分析方法筛选关键基因；利用多种生物信息学工具进行基因结构、保守域、顺式元件和系统进化分析；采用qRT-PCR技术进行表达验证，以水稻栽培种Taichung 65为材料，设置高温(44°C)和盐胁迫(120mM NaCl)处理。

研究结果部分显示，通过蛋白质相互作用网络分析成功筛选出12个关键基因，这些基因在染色体上呈现不均匀分布。基因进化分析表明它们分为三个亚家族，具有不同的基因结构和保守基序特征。启动子分析揭示了丰富的激素响应顺式元件，表明这些基因可能参与复杂的激素信号通路交叉对话。

同源配对分析显示水稻关键基因与玉米、高粱、甘蔗和短柄草等物种存在广泛的共线性关系，表明这些基因在进化上具有功能保守性。蛋白质三级结构预测和模型质量评估表明这些关键基因的蛋白质结构模型质量良好，为后续功能研究提供了可靠的结构基础。

基因表达分析结果表明，这12个关键基因在多种非生物和生物胁迫条件下均呈现显著差异表达。特别是qRT-PCR验证实验证实了它们在热和盐胁迫下的快速响应特性，其中部分基因在胁迫处理0.5小时即出现显著上调，表明它们可能是水稻早期胁迫响应的关键调控因子。

研究结论强调，本研究首次系统鉴定了水稻MYB转录因子家族中12个与抗逆性相关的关键基因，这些基因在进化上高度保守，含有多种激素响应元件，在胁迫条件下呈现特异表达模式。研究成果不仅深化了对水稻胁迫响应分子机制的理解，而且为通过基因工程手段培育抗逆水稻新品种提供了重要的候选基因资源和理论依据。该研究采用的整合基因组学方法为植物抗逆性研究提供了可借鉴的分析框架，对应对全球气候变化背景下粮食安全生产挑战具有重要意义。