研究背景
IJMS
在农业生产和生态系统中，低温对植物的影响不可忽视。低温可以导致植物遭受多种类型的伤害，包括冻害、冷害和霜害等。这些损伤不仅直接影响植物的生长和发育，甚至可能导致植物死亡。此外，低温还会影响植物的代谢和繁殖过程，并削弱其应对环境胁迫的能力。转录因子家族在植物生长、发育和环境适应中发挥关键作用，其中AP2/ERF家族特别重要。该家族通过调控下游靶基因，在植物生命周期的各个方面，包括花、果实和种子发育以及应对生物和非生物胁迫中发挥作用。AP2/ERF家族根据结构和功能被细分为多个亚家族，如AP2、ERF、RAV和Soloist，都具有特定的生物学功能。
F.vesca (2n=2x=14)，即野生草莓，是一种具有重要研究价值的植物，其基因组相对较小，二倍体F. vesca与八倍体栽培草莓之间存在显著的序列相似性。近年来，对其全基因组的研究取得了诸多进展。来自东北农业大学园艺园林学院的韩徳果教授及其团队在IJMS 期刊发表了文章，利用高质量的F. vesca基因组数据 (V6.0)，研究了AP2/ERF基因家族的系统发育分析、保守基序、结构、染色体定位以及基因表达模式，特别是低温处理下的表现。研究发现过表达FvERF23基因的植株对低温具有更好的适应性，此研究为未来在F. vesca中AP2/ERF基因家族的功能研究及育种应用奠定了基础。
研究过程与结果
IJMS
本研究利用野生草莓和拟南芥最新的基因组数据进行HMM检索AP2结构域 (PF00847)，通过结构域筛选最终得到了220个拟南芥AP2/ERF基因和86个野生草莓AP2/ERF基因。参考Nakano等人对拟南芥AP2超家族基因的分类，基于AP2/ERF转录因子的AP2结构域序列，将拟南芥和野生草莓共分为了4个亚家族，包含86 AP2亚家族基因，206 ERF亚家族基因和13 RAV亚家族基因。
图1. Arabidopsis thaliana和Fragaria vesca AP2/ERF超家族系统发育分析。
基因通过串联重复和逆转录转座两种机制复制到更小的区域。研究人员利用Circos分析来进一步了解FvERFs基因家族的扩增模式，结果发现有36个基因分布在整个染色体上，10个基因属于串联重复，31个基因属于WGD或节段性重复，这表明这些基因除了全基因组重复外，串联重复和节段性重复也占有重要地位，导致了FvERFs基因家族的扩张。
图2. F. vesca的物种共线性分析和重复基因对。
利用PlantCARE对FvAP2/ERFs基因成员起始密码子上游的2 kb序列中的顺式作用元件进行了预测。通过分析F. vesca中FvAP2/ERFs基因启动子中的顺式作用元件，发现其存在许多参与低温响应的顺式作用元件。针对于此，研究者将草莓经过冷冻和低温处理的茎叶组织与室温对照下的茎叶组织进行了取样比较。通过转录组测序筛选得到的AP2/ERF基因的RNA-Seq结果，并采用聚类方法对数据进行分析。聚类结果如图3所示。与对照组相比，22个FvERFs基因在冷处理后有显著表达。
图3. 室温 (22 °C)、冷冻 (-4 °C) 和冷藏 (4 °C) 处理后草莓茎段和叶片中FvERFs基因的表达谱。
在本研究中，我们发现FvERF23和AtERF66属于同一进化分支 (图1)，并且在三个物种间具有种间共线性。此外，与对照组的茎和叶相比，冷处理后植株茎和叶的表达水平显著增加。这一发现与转录组数据一致。冷处理6小时后，FvERF23基因在植株中表达水平最高，其对冷胁迫的响应最为强烈。研究者选择FvERF23作为候选基因，进一步探讨其功能，发现FvERF23转基因植株具有较好的耐寒性。
图4. 转化FvERF23提高了拟南芥的冷胁迫耐受能力。
研究总结
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综上，本研究在F. vesca中发现了86个AP2/ERF基因。根据保守结构域的划分，将这些基因分为AP2、RAV、ERF和Soloist 4个亚家族。这86个基因不均匀的分布在7条染色体上。同一基因亚家族中基因的基序、结构域和基因结构上都有相似之处。此外，还进行了染色体共线性分析，以更好地了解基因的扩张和进化。最后，对冷转录组数据进行分析，发现某些基因对冷胁迫高度敏感。RT-qPCR方法验证和鉴定了一个对冷胁迫有积极反应的基因。发现转FvERF23基因植株的耐寒性显著提高。该研究仍处于基因功能验证阶段，因此，有必要系统地阐明AP2/ERF转录因子在逆境响应中的功能、机制和分子调控网络，并将其应用于通过分子育种以提高草莓的胁迫耐受性。
东北农业大学韩德果教授为论文通讯作者，李文慧博士为共同通讯作者。在读硕士生魏洋帆、本科生孔译晗为共同第一作者。李兴国副教授和在读博士生韩家鑫及在读硕士生李慧雯、姚安琪、张文豪等参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金 (32172521)、黑龙江省自然科学基金(LH2022C023)、国家重点研发(2022YFD1600501-13)、东北农业大学大学生SIPT(S202310224026) 等项目的资助。
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原文出自 IJMS 期刊
Wei, Y.; Kong, Y.; Li, H.; Yao, A.; Han, J.; Zhang, W.; Li, X.; Li, W.; Han, D. Genome-Wide Characterization and Expression Profiling of the AP2/ERF Gene Family in Fragaria vesca L. Int. J. Mol. Sci. 2024, 25, 7614.
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