苹果 H+-ATPase 基因家族全基因组鉴定与缺铁胁迫响应机制解析：开启苹果抗缺铁育种新征程

《BMC Plant Biology》：Genome-wide identification and analysis of the apple H+-ATPase gene family and its expression against iron deficiency stress

为探究苹果 H+-ATPase（HA）基因家族在缺铁胁迫中的作用机制，甘肃农业大学研究人员开展相关研究。通过多种分析方法，发现 14 个 MdHA 基因，缺铁胁迫诱导部分基因上调，且不同品种表达有差异。该研究为苹果抗缺铁研究奠定基础。

　　在植物的生长发育过程中，铁元素扮演着至关重要的角色，它参与呼吸、叶绿素合成以及光合电子传递等关键生命活动。然而，土壤中的铁大多以难以被植物直接吸收的不溶性氧化铁形式存在，尤其是在通气良好或碱性土壤环境中，植物缺铁问题更为突出。缺铁不仅会抑制植物生长，导致农作物产量和品质下降，还可能引发一系列连锁反应影响植物健康。在苹果种植领域，缺铁也是一个令人头疼的难题。在石灰性和盐碱土壤中，苹果树常常因缺铁而叶片发黄，严重时经济产量大幅降低。尽管 H⁺-ATPase 在植物生理过程中意义重大，但苹果中该基因家族的相关研究却十分匮乏，这就像在黑暗中摸索，限制了人们对苹果缺铁响应机制的深入理解。

为了打破这一困境，甘肃农业大学园艺学院的研究人员勇敢地踏上探索之旅。他们聚焦苹果 H⁺-ATPase（HA）基因家族，展开了全面而深入的研究。最终，他们成功鉴定出 14 个 MdHA 基因，并深入分析了这些基因的特性、进化关系以及在缺铁胁迫下的表达模式。研究结果表明，HA 基因家族与苹果的缺铁耐受性密切相关，这一发现为后续深入研究苹果缺铁响应机制提供了重要线索，也为培育更具缺铁耐受性的苹果品种带来了新希望。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为该领域的发展注入了新的活力。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先，从 Phytozome v13 数据库中搜索目标蛋白序列，利用隐马尔可夫模型（HMM）等工具鉴定 MdHA 基因。接着，借助 ProtParam、SOPMA 等在线工具对基因的理化性质、蛋白结构进行分析。通过 Clustalx 和 MEGA7.0 构建系统发育树，研究基因进化关系。利用 TBtools 进行染色体定位、共线性分析。此外，通过 qRT-PCR 技术测定基因表达水平，以此探究基因功能。

研究结果如下：

• MdHAs 的鉴定与理化性质分析：以拟南芥 H⁺-ATPase 氨基酸序列为参考，利用 TBtools 和 NCBI 蛋白 BLAST 工具，在苹果基因组中鉴定出 14 个同源基因，命名为 MdHA1-MdHA14。这些基因的全长、氨基酸链长度、分子量和等电点各不相同，多数为酸性蛋白。
• 染色体定位与共线性分析：TBtools 分析显示，14 个基因分布在 11 条染色体上，部分染色体基因密度较高。共线性分析发现苹果 MdHA 基因家族存在明显的基因复制现象，且与其他物种存在进化保守性。通过 Ka/Ks 比值分析可知，该基因家族主要经历了纯化选择。
• H⁺-ATPase 家族进化树分析：对苹果与其他多种植物的 H⁺-ATPase 基因进行系统发育分析，结果表明这些基因可分为五个亚组，不同亚组包含不同的 MdHA 基因。
• H⁺-ATPase 蛋白的亚细胞定位和二级结构预测：多数 MdHA 家族成员主要定位于质膜，MdHA7 与细胞骨架相关，MdHA14 位于细胞质。二级结构预测显示，这些基因主要由 α- 螺旋、不规则卷曲和延伸结构组成，其中 α- 螺旋占比最高。
• 基因结构、基序和顺式作用元件分析：14 个 MdHA 基因的外显子和内含子数量不同，但都具有一定的保守性。通过 MEME 预测发现 10 个保守基序，多数成员含有 Motif 3、6、7 和 10。启动子区域分析表明，MdHA 基因家族含有多种与光响应、激素调节、非生物胁迫适应和生长发育相关的顺式作用元件。
• 密码子偏好性和选择压力分析：研究发现苹果 H⁺-ATPase 基因在密码子使用上存在一定偏好性，第三密码子位置对胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）有明显偏好。MdHA 家族成员的密码子偏好性较弱，且基因主要受到纯化选择。
• 表达模式分析和蛋白质相互作用预测：不同组织中 MdHA 基因的表达存在差异，部分基因在特定组织中高表达。蛋白质相互作用预测显示，MdHA 基因家族成员之间无相互作用，但与其他一些蛋白存在关联。
• 不同铁处理下 MdHA 基因的 qRT-PCR 分析：qRT-PCR 结果表明，缺铁处理下，部分 MdHA 基因表达上调，部分下调。在铁耐受性不同的苹果品种 QZ1 和 QZ2 中，MdHA 基因的表达水平存在显著差异，进一步证实 HA 基因家族参与苹果缺铁响应。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次系统地对苹果 HA 基因家族进行了全面分析。通过多种分析手段，不仅鉴定出 14 个具有高保守结构域的 MdHA 基因，还深入探究了它们的进化关系、基因结构、表达模式以及与缺铁胁迫的关联。研究发现基因复制事件在苹果 HA 基因家族进化中发挥重要作用，部分基因对缺铁胁迫响应显著，且不同亚组基因可能存在功能分化。这些发现为深入理解苹果缺铁响应机制提供了理论依据，也为通过基因工程手段培育抗缺铁苹果品种提供了潜在的分子靶点，在苹果种植产业中具有重要的应用价值，有望为解决苹果缺铁问题开辟新的道路。