《International Journal of Biological Macromolecules》：Evolutionary trajectory of Triticeae GATA transcription factors pinpoints
TaGATA26-5A and
TaGATA31.1-2B as regulators for drought and phosphorus tolerance
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GATA转录因子家族在Triticeae族植物中的基因组扩张机制及干旱低磷胁迫响应功能解析。本研究系统鉴定了7种Triticeae植物共318个GATA转录因子，揭示其通过全基因组重复和近缘体特异性重复扩张，并功能验证TaGATA26-5A增强干旱胁迫耐受性，TaGATA31.1-2B调控低磷响应，为培育抗逆小麦提供新资源。
Fang Zeng|Jingfei Ma|Hongyan Zhao|Canghao Du|Xiaoxue Xie|Chuang Pan|Yuesheng Wang|Mingjie Chen|Junli Chang|Yin Li|Guangyuan He|Guangxiao Yang
中国科学技术部遗传工程国际合作基地，教育部分子生物物理学重点实验室，华中科技大学生命科学技术学院，武汉，430074，中国
摘要
GATA转录因子（TFs）是植物发育和应激适应的关键调节因子。尽管某些GATA基因已在模式物种中得到功能鉴定，并在主要作物中被发现，但该基因家族在Triticeae族内的进化历史和分化仍很大程度上未被探索。在这项研究中，我们鉴定了7种Triticeae物种中的318个GATA基因，并将其分为7个亚组（I-VII）。比较系统发育分析表明，该家族的扩张是由古老的基因组复制（WGD）和谱系特异性基因复制事件驱动的。全面的转录组分析显示，重复的TaGATA成员之间存在不同的表达模式，并突出了TaGATA26-5A作为干旱响应基因的作用。在拟南芥中异源表达TaGATA26-5A通过调节气孔开度和增加叶片中的抗氧化酶活性显著提高了转基因植物的耐旱性。此外，我们还表征了Triticeae特有的串联重复的TaGATA31拷贝，其中祖先拷贝TaGATA31.1对低磷（LP）胁迫具有特异性响应。通过双荧光素酶和酵母实验的功能验证确认TaGATA31.1-2B是LP耐受性的正向调节因子。本研究阐明了Triticeae GATA基因的进化动态，并确定了TaGATA26-5A和TaGATA31.1-2B作为培育耐逆小麦品种的有希望的候选基因。
引言
植物在其生长和发育过程中会遇到许多环境挑战。为了生存和繁衍，它们进化出了精确的调控机制来适应各种环境条件，包括生物和非生物胁迫。随着时间的推移，许多植物物种进化出了多种应对这些胁迫的机制，其中转录调控发挥了重要的调节作用[1]。转录因子（TFs）是通过特异性结合目标基因的启动子区域来调节基因表达的关键调节因子，从而影响广泛的生物学过程，如细胞形态发生、信号转导和胁迫响应[2]。已在植物中很好地表征了几个主要的TF家族，包括GATA[3]、WRKY[4]、MYB[5]、DREB[6]、bZIP[7]和MADS-box[8]。GATA蛋白是一类进化上保守的DNA结合转录因子，在植物、动物和真菌中广泛分布[3]。它们属于IV型锌指蛋白超家族，其特征是一个高度保守的DNA结合域，包含C-X2-C-X17–20-C-X2-C基序[3]。在分子水平上，这些蛋白通过特异性结合(T/A)GATA(A/G)顺式作用元件来调节目标基因的转录。对植物GATA基因的系统研究始于对烟草(Nicotiana tabacum)中NTL1基因的表征，该基因与粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)的NIT2基因同源[9]。这一开创性的发现促进了GATA基因的系统性鉴定，使其在模式物种和非模式作物（包括拟南芥[3]和稻(Oryza sativa)[10]、甘蓝(Glycine max)[11]、短柄草(Brachypodium distachyon)[12]、辣椒(Capsicum annuum)[13]、黄瓜(Cucumis sativus)[14]和棉属(Gossypium)[15]）中得到全面表征。从结构角度来看，所有植物GATA转录因子都具有一个由18或20个氨基酸残基组成的锌指结构域。在拟南芥中，根据系统发育关系、保守的DNA结合域和基因结构，GATA家族被分为四个亚组(I-IV)[16]。
植物GATA转录因子在许多生物学过程中发挥着关键作用，包括叶绿体发育[17]、生长[18]、免疫反应[19]、种子休眠[20]、籽粒形态和非生物胁迫耐受性[14]。例如，AtGATA12调节初级种子休眠[20]，而SWI2/SNF2 ATP酶BRM与GNC（GATA、硝酸盐诱导的、参与碳代谢的）物理结合，以调节SOC1（Constans过表达抑制因子）的表达，从而控制开花时间[21]。在稻中，OsGATA12的过表达会减少叶片数量和分蘖，从而影响产量相关特性[22]。OsGATA7通过调节油菜素水平来微调植物结构和籽粒形状。在杨树中，PdGATA19参与光合作用和生长调节[18]。在大豆中，GATA44和GATA58在低氮条件下表达显著受到抑制[11]。在小麦中，TaZIM-A1的过表达会延迟开花并降低千粒重[18]。此外，含有LLM结构域的转录因子TaGATA1通过激活防御相关基因来正向调节对禾腐菌(Rhizoctonia cerealis)的免疫力[23]。另一个小麦GATA基因GAT1已被证明在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中调节较高的酒精生物合成[24]。最近的研究表明，小麦GATA基因可能在种子休眠和萌发中发挥作用[25]。总的来说，这些发现强调了GATA成员在植物物种中的功能多样性，并突出了全面了解其在发育、生长和胁迫适应中作用的重要性。
Triticeae族是一个典型的多倍体丰富的支系，具有复杂的系统发育结构。Triticeae物种通常具有较大的基因组，其中含有大量的重复序列和重复基因。面包小麦(Triticum aestivum L.)是世界上三大主要谷物作物之一[22]，是一种六倍体物种(2n = 6x = 42, BBAADD)，通过两次连续的多倍体化事件形成[26]。其进化轨迹始于Triticum urartu（AA基因组）与与Aegilops speltoides（SS基因组）密切相关的物种之间的杂交，产生了野生二粒小麦(Triticum dicoccoides, 2n = 4x = 28, BBAA)[27]。这种四倍体祖先随后与Aegilops tauschii（DD基因组）杂交，最终产生了现代面包小麦[28]。六倍体斯佩尔特小麦(T. aestivum ssp. spelta)的起源仍有争议，现有证据表明它是由面包小麦与一种二粒小麦物种杂交产生的。其他典型的Triticeae二倍体物种包括Hordeum vulgare（大麦，HH基因组）和Secale cereale（黑麦，RR基因组）。这种复杂的基因组进化过程为小麦基因组学研究带来了重大挑战[29][30][31]。
虽然面包小麦(品种Chinese Spring)的高质量参考基因组为系统研究小麦中的基因家族提供了基础，但仍然需要对Triticeae中的GATA家族进行全面的基因组范围鉴定、进化模式及其与非生物胁迫相关的特定功能的研究。特别是，目前尚不清楚这个家族是如何在小麦及其具有复杂多倍体基因组的近亲中扩大的，以及哪些成员可能在干旱和低磷等非生物胁迫响应中发挥作用。为了解决这些问题，本研究在7种Triticeae物种中进行了GATA基因的基因组范围鉴定，通过比较基因组学和系统发育分析明确了它们的进化模式，并对两个关键成员TaGATA26-5A和TaGATA31.1-2B进行了功能表征。我们的研究扩展了目前关于Triticeae物种中GATA目录和功能信息的认识，补充了之前对小麦TaGATA家族的基因组范围表征[32][33]。本研究的目标是：(1)建立Triticeae中GATA转录因子家族的全面基因组和进化图谱；(2)阐明其扩张机制和同源基因的表达偏好；(3)通过分子和生理实验验证关键成员在干旱和低磷胁迫响应中的作用。这项工作旨在为理解GATA转录因子在Triticeae作物中的胁迫适应作用提供新的见解和遗传资源，并为分子育种培育耐逆小麦品种提供候选基因。
部分摘录
GATA基因的鉴定和分类
为了从7种Triticeae物种（T. aestivum、Triticum turgidum ssp. durum、T. dicoccoides、T. urartu、Ae. tauschii、H. vulgare和S. cereale）中鉴定GATA家族成员，我们使用拟南芥(A. thaliana)和稻(O. sativa)已知的GATA氨基酸序列，对上述物种的注释蛋白质集进行了BLASTp搜索，E值阈值设为1 × 10^-5。每个基因组的详细信息见表S1。
Triticeae物种中GATA的基因组范围鉴定和理化性质
在这项研究中，我们采用了一种综合策略，结合了BLAST查询、基于HMMER的域搜索和直系同源性分析，系统地鉴定了Triticeae基因组中的GATA转录因子。使用公共数据库从7种Triticeae物种中鉴定了总共318个GATA基因，其中88个来自普通小麦(Triticum aestivum)，30个来自T. urartu，29个来自Ae. tauschii，57个来自野生二粒小麦(T. dicoccoides)，以及28个来自硬质小麦(T. turgidum)
Triticeae中GATA基因家族的基因组景观
通过综合使用BLAST搜索、HMMER搜索和共线性分析，本研究在7种Triticeae物种中鉴定了总共318个GATA基因。数据清楚地显示了基因数量与物种倍性之间的正相关关系，这与多倍体物种中的“基因剂量效应”基本预期一致[68]。根据系统发育结果，这些蛋白质被分为7个组(I-VII)。
结论
本研究采用了一种综合方法，结合了比较基因组学和功能实验，阐明了Triticeae中GATA转录因子家族的进化扩张和胁迫响应作用。我们的分析表明，该家族的多样化是由基因组复制和最近的串联复制事件共同驱动的，功能特化和同源基因表达偏置进一步塑造了其调控复杂性。
CRediT作者贡献声明
Fang Zeng：撰写——原始草稿、方法学、研究、正式分析、数据管理。Jingfei Ma：方法学、研究、正式分析。Hongyan Zhao：方法学、研究、数据管理。Canghao Du：方法学、研究、数据管理。Xiaoxue Xie：方法学、研究、数据管理。Chuang Pan：方法学、研究、数据管理。Yuesheng Wang：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。Mingjie Chen：撰写——审阅与编辑，
致谢
本工作得到了华中科技大学中央高校基本科研业务费（2021XXJS070, 3004170157）、国家自然科学基金（32272126）、华中科技大学科研设施与基地“双一流” initiative研究支持计划（5001170128）、国家重大转基因新品种项目（2016ZX08010004-004）、湖北省自然科学基金（2016CFB549）以及国际科技合作的支持。
