《Plant Physiology and Biochemistry》：Investigation of the HSF Transcription Factor, Expression Characteristics and Stress Tolerance Function of
PeHSF-2 in Passion Fruit (
Passiflora edulis)
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为解决热带作物西番莲在干旱、盐、冷、热等非生物胁迫下的生长受限问题，研究人员对西番莲热激因子(HSF)家族展开了系统性研究。通过对PeHSF-2的过表达功能验证，发现其可显著增强酵母和拟南芥的胁迫耐受性，并通过上调P5CS1、SOS1、HSP70、CBF2等关键基因的表达以及与PeSIP2-2的互作参与调控网络。该研究为解析西番莲胁迫应答机制及抗逆性遗传改良提供了重要的理论依据和基因资源。
在热带和亚热带地区，西番莲凭借其丰富的营养和药用价值，已成为重要的经济作物。然而，与许多娇嫩的植物一样，西番莲的生长也常常受到恶劣环境的挑战。干旱缺水、土壤盐碱、异常低温和极端高温——这些来自大自然的“压力测试”严重制约了西番莲产业的健康发展。面对这些挑战，植物并非毫无还手之力，它们拥有一套复杂的内部调控系统，其中一类名为“热激因子”（Heat Shock Factor, HSF）的蛋白质扮演着关键角色。HSF是植物中一类重要的转录因子，如同应对压力的“指挥官”，能在多种胁迫条件下激活相关保护基因的表达，帮助植物抵御逆境。尽管HSF在其他作物中的功能已有较多研究，但在西番莲中，这个家族的“成员”有哪些？它们各自有什么“本领”？谁又是应对多重胁迫的“多面手”？这些问题的答案尚不清晰。为了解答这些问题，并为培育抗逆性更强的西番莲品种提供基因“工具箱”，一支研究团队对西番莲HSF家族展开了系统性“普查”与深度功能解析，相关成果发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上。
研究人员综合利用了生物信息学、转录组学、分子生物学和遗传学等多种技术手段。他们首先基于西番莲高质量基因组，通过生物信息学分析鉴定出HSF家族成员。利用转录组测序(RNA-Seq)和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术，分析了这些基因在不同胁迫（干旱、盐、冷、热）和不同果实成熟阶段（T1-T3）的表达模式。研究选取了一个关键基因PeHSF-2进行深入的功能验证，包括在酿酒酵母(INVSc1菌株)和模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中进行异源过表达，评估其耐受性。此外，还通过亚细胞定位、下游基因表达分析以及酵母单杂交(Yeast One-Hybrid, Y1H)等技术，探索了PeHSF-2的作用机制。研究中所用的西番莲材料为紫色果西番莲品种“台农”的健康幼苗。
3.1. Identification of PeHSF family members and information analysis
研究人员从西番莲基因组中鉴定出15个具有完整序列的PeHSF家族成员。系统发育树分析显示，它们可分为3个亚家族。染色体定位显示这些基因分散在不同染色体上，其中PeHSF-11和PeHSF-12为串联基因。启动子分析发现，所有PeHSF基因的启动子区都含有大量与非生物胁迫及激素响应相关的顺式作用元件。
3.2. Analysis the structures of PeHSF motifs and promoters
3.3. Collinearity analysis of PeHSFs
3.4. Transcriptome and qRT-PCR analysis of differential expression of PeHSFs in fruit ripening
转录组和qRT-PCR分析显示，除PeHSF-14外，其余14个PeHSFs在果实成熟过程中均有显著表达。大多数PeHSFs在T1和T2时期的果肉中表达水平高于T3时期，表明该家族响应果实发育过程。
3.5. Function analysis of the abiotic stress resistance of PeHSFs
在四种非生物胁迫条件下，大多数PeHSFs表现出显著的差异表达。其中，PeHSF-2在干旱、盐、冷、热胁迫下均被强烈诱导表达，表达量变化超过150倍，是与胁迫耐受相关的关键基因。
3.6 Investigation of PeHSF expression in various tissue types
组织特异性表达分析表明，不同PeHSF基因在根、茎、叶、果等组织中表达模式各异，多数在根和果实中表达较高，显示出组织特异性。
3.7. Subcellular Localization of PeHSF-2
亚细胞定位实验证实，PeHSF-2蛋白定位于细胞核，这与它作为转录因子的功能相符。
3.8. Verification of PeHSF-2 function in yeast (S. cerevisiae)
在酵母中进行功能验证，发现过表达PeHSF-2的酵母菌株在18%聚乙二醇(PEG)模拟的干旱、高盐(5M NaCl)、高温(55°C)和低温(-20°C)胁迫下的生长状况均显著优于对照菌株，证明PeHSF-2能增强酵母的多重胁迫耐受性。
3.9. Functional validation of abiotic stress in PeHSF-2 transgenic Arabidopsis thaliana
在拟南芥中过表达PeHSF-2同样显著增强了转基因植株对干旱、盐、高温和低温胁迫的耐受性。生理指标检测显示，胁迫处理后，转基因植株中过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2?)的积累少于野生型，而脯氨酸(PRO)的积累更多，丙二醛(MDA)含量更低，表明其抗氧化能力和细胞膜稳定性更强。
3.10. PeHSF-2 over-expression enhances stress-responsive gene expression under abiotic stresses
机制研究表明，PeHSF-2的过表达能显著上调四个关键胁迫响应基因的表达：与干旱响应相关的P5CS1、与盐响应相关的SOS1、与热响应相关的HSP70以及与冷响应相关的CBF2。在拟南芥转基因株系中，这些同源基因的表达水平在胁迫下也显著高于野生型。
3.11. PeHSF-2 Directly Binds to the Promoter of PeSIP2-2 in Yeast One-Hybrid Assay
酵母单杂交实验进一步发现，PeHSF-2蛋白能直接结合到水通道蛋白基因PeSIP2-2的启动子区，提示PeHSF-2可能通过调控水分运输来参与胁迫响应。
结论与讨论
本研究首次在西番莲中系统鉴定了包含15个成员的HSF转录因子家族，并深入解析了关键成员PeHSF-2的功能。研究表明，PeHSF-2是一个受干旱、盐、冷、热多重胁迫强烈诱导表达的核定位转录因子。通过在酵母和拟南芥中异源表达PeHSF-2，证实其能显著提高宿主对上述四种逆境的耐受性。其作用机制在于，PeHSF-2能够上调一系列核心胁迫响应基因（P5CS1、SOS1、HSP70、CBF2）的表达，从而协同增强植物的渗透调节、离子稳态、热激蛋白保护和低温适应能力。更为有趣的是，研究首次发现PeHSF-2能与水通道蛋白基因PeSIP2-2的启动子结合，这揭示了一条通过调控细胞水分快速运输来增强胁迫耐受性的新潜在通路。这一发现将转录调控与生理功能（水分关系）联系起来，丰富了人们对HSF因子广谱抗逆机制的理解。
这项研究的意义在于，它不仅提供了西番莲HSF家族的首份“全景图谱”，更重要的是鉴定并验证了PeHSF-2这一具有多重胁迫耐受潜力的关键基因。该基因如同一个“总开关”，能够激活多条下游防御通路，帮助植物应对复杂多变的逆境环境。研究结果为利用分子育种手段改良西番莲及其他作物的抗逆性提供了宝贵的候选基因和坚实的理论依据。尽管目前的功能验证主要在异源系统中完成，未来通过在木本植物西番莲本体中进行基因编辑或过表达研究，将能更直接地验证其应用价值，推动西番莲产业向着更抗逆、更可持续的方向发展。
