《Plant Science》：DcGATA20, a member of the GATA family, plays a positive role in carrot chlorophyll biosynthesis
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谭珊珊|段傲琪|邓圆洁|张嘉琪|刘正泰|徐志生|熊爱生中国农业农村部作物遗传与种质资源创新利用国家重点实验室；华东地区园艺作物生物学与种质资源创新利用重点实验室；南京农业大学园艺学院；中国南京211800，滨江666号摘要GATA转录因子在植物发育以及光和激素响应中起着重要作用。
谭珊珊|段傲琪|邓圆洁|张嘉琪|刘正泰|徐志生|熊爱生
中国农业农村部作物遗传与种质资源创新利用国家重点实验室；华东地区园艺作物生物学与种质资源创新利用重点实验室；南京农业大学园艺学院；中国南京211800，滨江666号
摘要
GATA转录因子在植物发育以及光和激素响应中起着重要作用。胡萝卜是一种有价值的根茎类蔬菜。胡萝卜的地上部分在生长过程中受到光照的影响，这反过来又会影响主根的生长状态。已经在多种植物物种中研究了GATA因子的功能，但对于胡萝卜生物过程中的GATA因子了解甚少。在本研究中，首次在胡萝卜基因组中鉴定出30个GATA家族成员，并将其分为四个亚家族：A-GATA、B-GATA、C-GATA和D-GATA。C-GATA和D-GATA具有特定的功能基序，表明它们在植物之间存在进化保守性。预测的GATA因子的顺式元件揭示了它们潜在的激素响应和光响应功能。其中，B-GATA已被广泛研究，其代表基因包括GNC和GNL。胡萝卜中有三个GNC/GNL同源基因：DcGATA18、DcGATA20和DcGATA22。功能分析表明，GNC同源基因DcGATA20主要在胡萝卜叶片中表达，其次是叶柄，在主根中几乎检测不到。过表达DcGATA20可以促进叶绿素的积累，并增加DcGUN4和DcCHLI1的表达水平，同时显著提高对叶绿素合成重要的转录因子DcGLK1的表达。此外，叶绿素降解基因DcSGR1（STAY GREEN 1）的表达也降低了。这些结果表明，GNC基因在胡萝卜中具有功能保守性，可能有助于理解其他GATA成员的功能。
引言
GATA是一种进化上保守的转录因子，在动物、植物和真菌中广泛存在。它通过IV型锌指结构识别目标基因DNA序列WGATAR。GATA成员具有一个保守的锌指基序，其特征为C-X2-C-X17-20-C-X2-C（Lowry和Atchley，2000年）。植物中的GATA成员数量多于动物。大多数植物GATA仅含有一个锌指结构，而少数含有两个。植物中主要的锌指结构是C-X2-C-X18-C-X2-C和C-X2-C-X20-C-X2-C（Schwechheimer等人，2022年）。根据它们的锌指结构，植物GATA成员被分为四个亚家族：A、B、C和D。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，A、B和D类锌指环含有18个氨基酸，而C类含有20个氨基酸。除了保守的GATA锌指基序外，不同亚家族可能还含有其他功能结构，如CCT结构（CONSTANS、CONSTANS-like和TIMING OF CAB EXPRESSION 1结构）或TIFY结构（Reyes等人，2004年；Vanholme等人，2007年）。
在四个亚家族中，B-GATA是研究最广泛的基因。从功能上讲，B-GATA可以分为两组：一组在C末端具有保守的LLM结构（亮氨酸-亮氨酸-甲硫氨酸结构），另一组在锌指的N末端具有保守的HAN结构（HANABA TARANU结构）（Zhao等人，2004年；Behringer等人，2014年）。B-GATA因子在Physcomitrium patens和拟南芥中对于氮响应生长是必需的（Zappone等人，2026年）。在拟南芥B-GATA家族中研究最广泛的成员之一是GNC（GATA、NITRATE-INDUCIBLE、CARBON-METABOLISM INVOLVED），属于LLM家族。研究表明，AtGNC可以参与叶绿素生物合成并促进光形态发生。AtGNC的表达受GA响应蛋白ARFs的调控，并与开花调节因子SOC1（SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1）存在交叉抑制作用（Richter等人，2013年；Behringer等人，2014年；Cackett等人，2022年）。目前也有报道指出GNC在其他植物（如水稻和杨树）中调节叶绿素合成（An等人，2020年；Lim等人，2024年）。
叶绿素在植物生长中起着不可或缺的作用。作为根茎类蔬菜，胡萝卜的主根与其地上部分的生长和发育密切相关。叶片中叶绿素的合成与胡萝卜主根的生长之间的关系尚不清楚。参与MEP途径的AtDXS过表达增加了胡萝卜主根中的类胡萝卜素含量和叶片中的叶绿素含量（Simpson等人，2016年）。过表达Pro35S: DcRPGE1^W的胡萝卜根变黄，叶片呈现淡绿色（Wang等人，2024年）。胡萝卜主根在黑暗条件下通过叶绿体发育积累类胡萝卜素，而直接照射白光会诱导叶绿体形成，导致类胡萝卜素含量下降（Stange等人，2008年；Quian-Ulloa和Stange，2021年）。作为调节叶绿素的重要转录因子，GATA在胡萝卜中的研究较少。在本研究中，我们首次鉴定了30个胡萝卜GATA成员，它们分布在四个亚家族中。过表达GNC同源基因DcGATA20促进了KRD胡萝卜叶片中叶绿素的积累，叶绿素途径相关基因的表达也增加。
章节片段
植物材料和生长条件
胡萝卜（‘Kurodagosun’，KRD，橙色胡萝卜；‘Baiyu’BY，黄色胡萝卜；‘Qitouhuang’，QTH，黄色胡萝卜；‘Deep purple’，DPP，紫色胡萝卜）和Nicotiana benthamiana被种植在南京农业大学作物遗传与种质资源创新利用国家重点实验室的人工气候室中。人工气候室的温度设置为25℃，光照时间为16小时，黑暗时间为22小时，光照强度和相对湿度分别为150 μmol m^-2 s^-1和70%。
胡萝卜GATA转录因子的鉴定和系统发育分析
共鉴定了30个胡萝卜GATA基因，命名为DcGATA1-DcGATA30。编码的蛋白质长度从131到559个氨基酸不等，分子量范围为14.498至61.610 KDa。亚细胞定位预测表明所有这些基因都定位于细胞核（补充表S1）。为了研究这些胡萝卜GATA基因之间的进化关系，以拟南芥为参考物种进行了系统发育分析。
讨论
GATA转录因子家族在进化上是保守的，其功能存在于多种生物界中，包括植物、动物和真菌。对植物GATA转录因子的兴趣最初源于发现GATA基序经常出现在光调控和时钟控制基因的启动子中（Arguello-Astorga和Herrera-Estrella，1998年）。在拟南芥、水稻和Solanum tuberosum中分别鉴定了30个、28个和57个GATA成员（Reyes等人）。
CRediT作者贡献声明
谭珊珊：撰写——原始草稿，可视化，实验研究，正式分析。邓圆洁：数据管理。段傲琪：正式分析。熊爱生：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。徐志生：资源获取，方法学设计。刘正泰：数据管理。张嘉琪：软件使用，实验研究。
利益冲突声明
作者声明他们与本文无关的任何财务或商业利益冲突。
致谢
本研究得到了教育部青藏高原生物技术重点实验室开放研究项目（2023-SYS-02）、江苏省高等学校优先学术发展计划（PAPD）以及南京农业大学生物信息学中心的高性能计算平台的支持。
作者贡献
ASX和SST提出了研究方案并设计了实验。SST、AQD和JQZ进行了实验。SST、YJD和ZTL进行了数据分析。
