植物在生长发育过程中经常面临多种非生物逆境胁迫，如干旱、高盐、寒冷和高温等。在这些极端的环境压力中，高温是影响植物分布的最大影响因素之一。高温会影响植物的光合作用、诱导细胞死亡并破坏细胞膜等。为了应对高温，植物需要减轻其不利影响以保持其产量和品质。因此，控制热应激反应相关基因的调控以适应高温胁迫至关重要。热激转录因子（Hsf，Heat shock transcription factor）是一个关键的基因家族，在植物的耐热胁迫中起着非常重要的作用。
2022年5月，Horticulture Research在线发表了华北理工大学生命科学学院题为Large-scale analyses of heat shock transcription factors and database construction based on whole-genome genes in horticultural and representative plants的研究论文。该研究在111种园艺和代表性植物全基因组中鉴定到2950个Hsf 家族基因，同时进行了系统深入的比较分析和植物Hsf 耐热基因数据库平台搭建，为今后进行植物耐热基因的比较和功能基因组学研究奠定了基础。
在111个物种中，超过一半来自于园艺植物，包括16种蔬菜、16种果树、16种观赏植物和8种中药植物（Fig. 1）。这些物种又进一步分为103种高等植物和8种低等植物。研究表明在高等植物中检测到的Hsf 基因数量要明显的多于低等植物。系统发育分析表明每个分支的Hsf 家族基因在物种分化后又发生了独立进化。基因保守结构域分析揭示了Hsf 家族基因在植物中的进化轨迹。在低等植物中只有6个保守结构域，在高等植物中出现了4个新的保守结构域，但是在高等植物中部分Hsf 家族基因的保守结构域发生了丢失。进一步研究表明，在高等植物全基因组加倍后，Hsf 基因丢失的数量明显多于复制的基因数量。
Figure 1. Comparative and phylogenetic analysis of Hsf family genes in 111 plants
研究进一步使用拟南芥的24个Hsf 基因、2421个下游基因和222个上游基因构建了耐热基因调控网络（Fig. 6）。基于调控网络发掘出了在耐热胁迫中起到关键作用的核心基因。富集分析表明，Hsf 基因和多个其它转录因子相互作用以响应植物的耐热调控。基于表达数据，绘制了Hsf 家族基因在拟南芥中各种非生物、生物胁迫和不同发育阶段的全方位表达图谱，为深入的研究拟南芥，乃至其它物种Hsf 家族基因的功能及作用机理奠定了基础。
Figure 6. The interaction network among Hsf family genes, and their upstream and downstream-regulated genes in Arabidopsis
研究进一步使用拟南芥的Hsf 家族基因和18个白菜的泛基因组进行共线性分析和系统发育分析（Fig. 8）。探究了18个白菜基因组在发生全基因组三倍化后Hsf 家族基因的丢失及保留模式，发现两个基因几乎在所有白菜中均得到了保留。
Figure 8. The syntenic and phylogenetic analysis of the Hsf gene family in A. thaliana and 18 genomes of B. rapa accessions
同时，研究使用来自白菜的不同组织和热处理的表达数据对Hsf 和六个Hsp 家族基因进行了表达模式分析（Fig. 9）。构建了白菜Hsf 和Hsp 基因家族之间的相互作用网络，并且在网络中检测到数个核心基因。这些核心基因资源为白菜乃至其它作物的耐热育种研究提供了丰富的资源。
Figure 9. The phylogenetic relation, expression pattern, and interaction network analysis of the Hsf and various Hsp gene families in B. rapa
最后，基于上述数据和比较分析结果，搭建了植物耐热基因数据库 （http://hsfdb.bio2db.com），供研究人员和育种工作者检索和下载植物耐热基因相关的信息资源。综上，该研究将为植物耐热基因的进化和功能研究提供丰富的数据资源。
华北理工大学生命科学学院硕士研究生于彤为第一作者，青年教师宋小明为通讯作者。团队及国内外多家单位的教师和学生也参与了该项研究。该工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金、教育厅青年拔尖人才项目及中国博士后科学基金特别资助等项目的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1093/hr/uhac035
转自：“园艺研究”微信公众号
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