谷子（Setaria Italica L.）DREB 基因家族全基因组鉴定及表达分析：解锁植物抗逆奥秘

《BMC Plant Biology》：Genome-wide identification and expression analysis of the DREB gene family in foxtail millet (Setaria Italica L.)

为解决谷子中 SiDREB 基因家族成员未系统鉴定、基因结构等未深入分析等问题，研究人员开展谷子 DREB 基因家族全基因组鉴定和表达分析研究。结果发现 56 个 SiDREB 基因，分 6 个亚家族，部分基因参与非生物胁迫和 ABA 响应，为谷子遗传改良奠定基础。

　　在广袤的大自然中，植物们就像勇敢的战士，时刻面临着各种恶劣环境的挑战。干旱、高低温、盐碱和洪涝等非生物胁迫，如同一场场残酷的 “战役”，严重影响着植物的生长和发育。植物为了应对这些挑战，进化出了一套复杂的防御机制，其中转录因子（TFs）与顺式作用元件（CREs）的相互作用，就像是植物体内的 “信号指挥官”，调控着与胁迫相关的下游基因表达。

在众多转录因子家族中，AP2/ERF 家族是植物特有的 “精英部队”，而 DREB 转录因子（脱水响应元件结合因子）更是其中的关键成员。它含有保守的 AP2/ERF 结构域，在植物应对逆境胁迫中发挥着重要作用。比如，在水稻、小麦、玉米等植物中，DREB 基因都被证实参与了植物对干旱、低温、盐碱等胁迫的响应。

谷子（Setaria Italica L.）作为我国北方的重要粮食作物，具有抗旱、耐贫瘠、适应性强等优点，是研究植物抗逆性的优秀 “模型”。然而，之前的研究却存在许多不足，就像拼图缺少了关键的几块。谷子中 SiDREB 基因家族成员尚未得到系统鉴定，基因结构和基序组成也没有进行全面分析，在整个生长周期中的组织特异性表达模式以及在低温、ABA（脱落酸）和渗透胁迫下的动态表达谱都还不清楚。

为了填补这些知识空白，山西农业大学的研究人员勇挑重担，开展了一项全面深入的研究。他们通过一系列实验，最终在《BMC Plant Biology》上发表了重要成果，为我们揭开了谷子 DREB 基因家族的神秘面纱。

研究人员在这项研究中，主要运用了生物信息学分析和实验验证这两大关键技术。在生物信息学方面，他们从相关数据库下载谷子基因组和蛋白质序列，利用 HMMER 3.0 软件搜索含有 DREB 结构域的蛋白序列，确定候选蛋白；还借助 MEGA 7.0 软件构建系统发育树，分析基因家族成员的进化关系。在实验验证环节，以谷子品种 “晋谷 21” 为材料，对 12 天龄的幼苗进行低温、干旱和 ABA 处理，通过定量实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）技术，精准测定目标基因的相对表达量。

下面让我们详细了解一下研究的主要结果：

• SiDREB 基因的鉴定和系统发育分析：研究人员在谷子全基因组中发现了 56 个 DREB 家族成员，命名为 SiDREB1-SiDREB56。通过与拟南芥 DREB 蛋白序列比对构建系统发育树，将这些基因分为 A1 - A6 六个亚家族。这些基因编码的蛋白质在氨基酸长度、分子量、等电点、不稳定指数和亲水性等方面都存在差异。
• 染色体分布和共线性分析：56 个 SiDREB 基因不均匀地分布在九条染色体上，其中 3 号染色体上最多，有 12 个；8 号染色体上最少，仅有 1 个。研究还发现，基因家族的扩增主要通过片段重复和串联重复实现，共鉴定出 13 对串联重复基因对和 14 对片段重复基因对。此外，谷子和拟南芥的 DREB 基因之间存在共线性关系，有 21 对共线基因对，表明它们的来源相似，蛋白质关系密切。
• SiDREB 基因结构和基序组成：利用 MEME 在线软件分析发现，SiDREB 基因存在 10 个保守基序，所有基因都含有 AP2 结构域。不同亚家族的基因在基序组成上有差异，比如 A1 亚家族多数蛋白含有 3 个保守基序，A2 亚家族 9 个蛋白有相同的保守基序且数量最多，A6 亚家族含有独特的基序 8。在基因结构方面，大多数 SiDREB 基因只有一个外显子，部分基因含有两个或更多外显子，且 50% 的基因没有非翻译区（UTRs）。
• SiDREB 启动子顺式作用元件分析：对 SiDREB 基因启动子区域（2000bp）分析发现，其中包含 20 种不同的顺式作用元件，涵盖了与低温、厌氧诱导、防御、激素响应、光响应、生长调节和昼夜节律等相关的元件。所有基因启动子都含有防御和胁迫响应元件，多数基因含有 ABA 响应元件，这表明 DREB 家族成员可能通过 ABA 依赖途径参与谷子的胁迫响应。
• 谷子 SiDREB 基因组织表达模式分析：研究人员检测了 26 个 SiDREB 基因在 21 个组织中的表达情况，发现这些基因在不同组织中的表达存在差异，具有组织特异性。比如 SiDREB09 和 SiDREB12 在多个植物部位高表达，而 SiDREB19 转录本丰度很低；SiDREB52 在发育中的小穗和种子中表达较高，SiDREB54 在所有组织中表达都很微弱。
• 谷子 SiDREB 基因家族成员在 ABA 和非生物胁迫下的表达分析：通过 qRT-PCR 分析发现，在低温、ABA 和渗透胁迫下，SiDREB 基因的表达呈现出不同的变化模式。在低温胁迫下，部分基因表达上调，如 SiDREB08、SiDREB09 等；ABA 处理后，一些基因表达增加，如 SiDREB07、SiDREB08 等；渗透胁迫下，SiDREB08、SiDREB09 等基因表达上调。

研究结论和讨论部分表明，研究人员成功鉴定了谷子中的 56 个 SiDREB 基因家族成员，对其染色体位置、系统发育关系、结构特征、组织特异性表达以及在胁迫下的表达模式进行了全面研究。这些结果为进一步深入探究 SiDREB 基因家族成员在谷子中的功能提供了重要理论依据。虽然目前还有一些问题有待解决，比如 SiDREB 家族蛋白的具体生物学功能、植物激素对 SiDREB 基因的精确调控模式以及 SiDREB 蛋白参与逆境胁迫响应的分子机制等，但这项研究无疑为谷子抗逆分子育种奠定了坚实基础，有助于培育出更具抗逆性的谷子品种，保障粮食安全。