小豆 NAC 家族基因在抗锈病中的关键作用：全基因组鉴定与茉莉酸信号通路解析

《BMC Genomics》：Genome-wide identification of the NAC family genes of adzuki bean and their roles in rust resistance through jasmonic acid signaling

为探究 NAC 转录因子（TFs）在小豆抗锈病中的功能，研究人员鉴定出 101 个 VaNACs，发现其通过茉莉酸（JA）信号通路起作用，VaNAC002 正调控植物免疫。

　　小豆，作为我国重要的豆类作物，在粮食生产中占据着不可或缺的地位。然而，由真菌 Uromyces vignae 引发的小豆锈病，却如同隐藏在田间的 “杀手”，严重威胁着小豆的产量与品质。这种病害会导致小豆叶片过早衰老、脱落，让辛勤劳作的农民们遭受巨大损失。为了寻找应对小豆锈病的有效策略，黑龙江八一农垦大学的研究人员展开了深入的探索，相关研究成果发表在《BMC Genomics》杂志上。

在本次研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是生物信息学分析，利用 NCBI 数据库的小豆基因组数据，借助 HMMER3.0 等软件进行 NAC 家族基因的鉴定；通过 TBtools 等工具进行基因的染色体定位、共线性分析以及结构特征分析。其次，采用定量实时 PCR（qRT-PCR）技术，检测不同处理下小豆叶片中相关基因的表达水平。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. VaNAC 的鉴定、染色体定位及共线性分析：研究人员从小豆基因组中成功鉴定出 101 个 VaNACs。染色体定位分析显示，89 个 VaNACs 分布在 11 条染色体上，其中 1 号染色体上数量最多。共线性分析发现，除 2 号染色体外，其他 10 条染色体上存在 25 对 VaNACs 发生了全基因组复制（WGD）或片段复制事件，且这些基因对的非同义（Ka）/ 同义（Ks）值表明它们可能经历了纯化选择，以维持基因功能的稳定性12。
2. VaNAC 基因结构：对 VaNACs 的基因结构分析表明，除 VaNAC099 外，其他成员都含有 1 - 5 个内含子，其中以两个内含子的基因数量最多。并且大多数 VaNACs 的第一个内含子和最后一个内含子相位为 0（p0），68 个具有三个内含子的 VaNACs 中，62 个的内含子相位顺序为 p0 - p2 - p0，这显示出它们可能具有共同的祖先34。
3. VaNACs 的亚家族分类及理化性质：通过构建包含 101 个 VaNACs 和 30 个来自不同植物的 NAC 蛋白的系统发育树，研究人员将 97 个 VaNACs 分为 15 个亚家族，另外 4 个新的亚家族（VaNAC003、VaNAC009、VaNAC020 和 VaNAC021）被鉴定出来。最终，101 个 VaNACs 被划分为 16 个亚家族，但 VaNAC055 无法归类。对 VaNACs 的理化性质研究发现，同一亚家族成员之间存在显著差异，且所有 VaNACs 整体呈亲水性56。
4. 与锈病抗性相关的 VaNACs 筛选及其顺式作用元件分析：基于转录组数据，研究人员分析了 101 个 VaNACs 在锈菌感染后的表达谱，发现有 6 个 VaNACs 无表达，95 个有不同程度的表达，其中 9 个 VaNACs（分别属于 SENU5、VaNAC021、AtNAC3、ATAF 和 NAP 亚家族）受锈菌感染诱导，可能参与锈病抗性。对这 9 个基因的顺式作用元件分析发现，其启动子区域包含大量与激素响应相关的元件，如脱落酸和茉莉酸甲酯（MeJA）响应元件78。
5. MeJA 诱导的锈病抗性过程中与锈病抗性相关的 VaNACs 表达：研究人员用 0.45mg/mL 的 MeJA 处理小豆叶片后，通过 qRT-PCR 检测 9 个与锈病抗性相关的 VaNACs 的表达水平，发现大多数基因的表达受外源 MeJA 影响，多数在处理后 12h 达到峰值。外施 MeJA 显著增强了小豆的锈病抗性，使锈病严重程度降低了 45.68%。进一步研究发现，在 MeJA 诱导的锈病抗性过程中，VaNAC002 在接种锈菌后的关键阶段表达显著上调，且在烟草中瞬时过表达 VaNAC002 可显著增强烟草对灰霉病菌（Botrytis cinerea）的抗性，表明 VaNAC002 正调控植物的抗病性910。

研究结论表明，该研究在小豆基因组中鉴定出 101 个 NAC TF 家族蛋白，并将其分为 16 个亚家族。基因表达分析显示，9 个 VaNACs 与小豆锈病抗性密切相关，其中 VaNAC002 可能通过茉莉酸信号通路正调控植物的抗病性。

在讨论部分，研究人员指出，植物特异性 NAC TFs 参与植物生长和应激适应的调节，基因复制事件是植物 NAC 家族成员丰富的重要原因。不同植物中 NAC 家族成员通过茉莉酸信号通路参与植物对生物胁迫的响应，而小豆 NAC 家族成员在抗病过程中的具体分子机制仍有待进一步深入研究。

总的来说，这项研究为深入理解小豆 NAC 家族基因在抗锈病中的作用机制提供了重要依据，也为小豆抗锈病品种的分子辅助育种提供了有价值的参考，有望在未来帮助农民有效应对小豆锈病的挑战，保障小豆的产量和品质。