水稻 HIS1 基因家族：解析其多样性与抗除草剂奥秘

《BMC Plant Biology》：Comprehensive characterization and diversity analysis of the HIS1 gene family in rice subpopulations for herbicide resistance

为探究水稻对 β- 三酮类除草剂的抗性机制，研究人员对 HIS1 基因家族开展研究，发现其存在多种进化模式，为育种提供依据。

　　在广袤的稻田里，水稻作为全球数十亿人的主食，其产量和质量关乎重大。然而，杂草这个 “捣蛋鬼” 却严重影响着水稻的生长，每年给农业带来超 1000 亿美元的经济损失，全球粮食减产近 2 亿吨。β- 三酮类除草剂（bTHs）因能有效抑制 4 - 羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD），成为除草 “利器”，能精准打击杂草，对哺乳动物毒性低，使用灵活。但不同水稻品种对这类除草剂的抗性差异较大，这背后的遗传机制却一直迷雾重重。

为了揭开这层神秘面纱，韩国公州国立大学（Kongju National University）的研究人员勇挑重担，开展了一项针对水稻 HIS1（HPPD INHIBITOR SENSITIVE 1）基因家族的研究。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为水稻抗除草剂育种提供了关键线索。

研究人员在探索过程中，使用了多种关键技术方法。首先，通过生物信息学手段，从水稻数据库中挖掘 HIS1 基因家族成员；利用系统发育分析软件，构建基因家族进化树，探究基因间的进化关系；运用染色体定位技术，确定基因在染色体上的位置；借助单倍型分析，研究基因的遗传变异；通过 qRT-PCR（定量实时聚合酶链式反应）技术，检测基因在除草剂处理后的表达变化。

研究结果如下：

1. HIS1 基因家族的分布：研究人员在四个水稻亚群中，共鉴定出 25 个 HIS1 基因家族成员，其中粳稻品种日本晴（Nipponbare）有 13 个，籼稻品种明恢 63（Minghui 63）有 4 个，珍汕 97（Zhenshan 97）有 6 个，Aus 稻品种 Nagina-22 有 4 个。这些基因在不同亚群的染色体上分布不均，如染色体 2 上有两个基因在四个亚群中都存在，而染色体 6 上的基因数量在各亚群间差异较大12。
2. 系统发育关系：构建的系统发育树显示，HIS1 基因家族成员被分为四个主要分支（Clades I - IV），进一步细分为七个亚家族（HIS1、HSL1 - HSL6）。不同亚家族的基因在进化过程中既有保守性，又有功能分化，比如 Clade I 中 HIS1 和 HSL1 - HSL4 的不同聚类，体现了它们在保持一定进化联系的同时，功能有所差异34。
3. 基因结构和保守基序：分析基因结构发现，大多数 HIS1 家族成员含有 3 - 6 个内含子，但也有例外，像日本晴的 4 个基因没有内含子，Nagina-22 的 HSL4 基因却有 16 个内含子。基序分析表明，该家族蛋白含有多种基序，不同亚家族基序存在差异，如 HSL5 缺少 Motifs 3 和 5，HSL6 部分基因缺少 Motif 6 等，反映出家族成员的功能多样性和进化适应性56。
4. 蛋白理化性质：HIS1 家族蛋白长度、分子量、脂肪族指数、等电点和稳定性等理化性质各不相同。大部分蛋白呈酸性，亲水性强，主要定位于细胞质和细胞核，部分在质体中，暗示它们在细胞调节、代谢和应激反应等过程中发挥重要作用78。
5. 选择压力评估：计算 Ka/Ks 比值发现，该家族基因对的比值差异显著，从 0.000 到 3.76 不等。比值大于 1 表明基因经历了正选择，如 Os06g0176300/OsN22_06g005220；比值小于 1 则意味着纯化选择和功能保守，如 Os02g0320800/OsZS97_02g0218200。基因复制事件发生时间在 0.12 - 4.36 百万年前，这些结果揭示了该基因家族在进化过程中受到不同选择压力的影响910。
6. 共线性关系：染色体水平的共线性分析显示，染色体 2 上的两个 HIS1 家族基因在四个亚群中具有保守的共线性关系，而染色体 6 上基因排列的共线性在亚群间变化较大。进一步的微共线性分析发现，染色体 6 上的 HIS1 家族成员通过串联和近端重复等多种复制机制实现了基因的扩张和多样化11。
7. 单倍型变异：对 475 份韩国水稻（KRICE）材料的单倍型分析发现，12 个基因中有 10 个无单倍型变异，HSL2 和 HSL3 存在显著遗传变异。在 HSL2 中鉴定出 40 种单倍型，HSL3 中有 45 种，不同单倍型在不同生态型水稻中的分布和抗性表现各异1213。
8. 对 BBC 的响应和表型分析：对 KRICE 材料进行苯并双环酮（BBC）处理实验，发现大多数粳稻对 BBC 有抗性，籼稻表现出抗性多样性。分析 HSL2 和 HSL3 基因的单倍型与 BBC 抗性关系，发现两者之间没有明显关联，表明这些基因的遗传变异可能不是决定 BBC 抗性的主要因素1415。
9. BBC 处理下的表达谱：选择 5 个不同 BBC 抗性的水稻品种进行基因表达分析，发现粳稻和籼稻在 BBC 处理后，HIS1 家族基因的表达模式差异很大。在抗性粳稻品种中，多数基因表达上调，但 HSL5 在敏感粳稻品种中表达较低；在抗性籼稻品种 Cheongdo-Donggok-4 中，HSL5 显著上调，其他基因下调，而敏感籼稻品种所有基因均下调，凸显了 HSL5 在介导 BBC 抗性中的潜在作用1617。

研究结论和讨论部分指出，该研究深入剖析了水稻 HIS1 基因家族的遗传多样性和进化动态。基因家族的扩张由片段 / 全基因组复制和串联复制驱动，不同水稻亚群存在独特的基因存在 / 缺失模式。单倍型分析揭示了粳稻和籼稻的选择压力差异，HSL5 在抗 BBC 籼稻中的特异性上调，使其成为潜在的育种靶点。此外，研究还发现使用粳稻参考基因组可能会掩盖生态型特异性变异，建议采用生态型特异性或泛基因组参考基因组。这项研究为通过选择性育种和基因编辑技术提高水稻抗除草剂能力提供了理论基础，有望推动可持续水稻种植中的杂草管理发展。