水稻熱激轉錄因子家族基因對紋枯病病菌和植物激素的響應特征

摘要： 解析水稻熱激轉錄因子（Heat shock factors， Hsf）家族基因響應紋枯病病菌侵染和4種植物激素處理的表達特征，可為進一步解析Hsf調控水稻紋枯病抗性與對相關逆境的響應提供重要依據。利用生物信息學方法搜索并鑒定到25個水稻Hsf基因，對其系統進化樹、相關分子特征、蛋白質結構域、基因結構及順式作用元件進行預測和分析，用熒光定量PCR法分析它們對紋枯病病菌侵染的響應特征及4種激素[茉莉酸（Jasmonic acid，JA）、水楊酸（Salicylic acid，SA）、乙烯（Ethylene，ETH）和激動素（Kinetin，KT）]處理后的表達模式，同時分析它們在水稻組織中的表達情況。結果顯示，水稻Hsf蛋白總體上可劃分為5組，3個OsHsf亞家族基因在進化關系上的距離較遠。25個Hsf蛋白的相對分子質量大小不一，且多數蛋白質的穩定性不高，但其基因結構較為保守。這些基因可能與激素響應及光信號通路相關。有5個基因呈組成型表達，另有7個基因呈組織特異性表達。水稻Hsf基因總體上受紋枯病病菌誘導的強度較低，其中11個上調表達的基因主要集中在OsHsfA、OsHsfB亞家族，4個下調表達的基因主要集中在OsHsfC亞家族， 提示Hsf基因可能在調控水稻對紋枯病抗性的功能上存在分化。4個基因（OsHsfA2a、OsHsfA3、OsHsfB2a、OsHsfB2c）強烈響應紋枯病病菌的侵染，并且在葉鞘、葉片組織中的相對表達量較高，表明這些基因可能參與調控水稻對紋枯病的抗性。多數Hsf基因能夠響應4種植物激素處理，總體來說，大部分OsHsf基因在JA、SA和ETH處理下呈下調表達，僅有少數基因呈上調表達；JA處理與SA處理相比，有1個Hsf基因受誘導表達的特征相反，SA處理和ETH處理相比，有3個Hsf基因受誘導表達的特征相反，JA處理和ETH處理相比，有3個Hsf基因受誘導表達的特征相反，JA處理與SA處理相比，SA處理與ETH處理相比，JA處理與ETH處理相比，表達特征相似的基因分別有18個、16個和13個。OsHsfA2a、OsHsfA3、OsHsfB2a、OsHsfB2c等4個水稻的Hsf基因可能參與調控水稻對紋枯病的抗性，研究結果明確了水稻中Hsf基因對不同激素處理的響應特征，為進一步研究Hsf在水稻逆境響應中的功能提供了參考依據。

關鍵詞： 水稻；OsHsf基因；紋枯病；防御相關激素

中圖分類號： S435.111.4+2 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2023）03-0609-13

Response characteristics of rice heat shock factors family genes to Rhizoctonia solani and plant hormones

GAO Peng1， WANG Guang-da2， WEI Zhao-gen1， YE Yuan-mei1， FENG Zhi-ming1，2， ZHAO Jian-hua1， JU Ran1， XIE Wen-ya1，2， CHEN Zong-xiang1，2， HU Ke-ming1，2， ZUO Shi-min1，2

（1.Jiangsu Key Laboratory of Crop Genomics and Molecular Breeding/Key Laboratory of Plant Functional Genomics of Ministry of Education/College of Agriculture， Yangzhou University， Yangzhou 225009， China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Industrial Technology of Grain Crops/Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Yangzhou University， Yangzhou 225009， China）

Abstract： Characterization of the expression of rice heat shock factors （Hsf） family genes in response to the infection of Rhizoctonia solani and the treatment of four plant hormones can provide an important basis for further analysis of the regulation of sheath blight resistance and related stress response by Hsf. Twenty-five rice Hsf genes were identified by searching using bioinformatics methods， and their phylogenetic tree， molecular characteristics， protein domains， gene structure and cis-acting elements were predicted and analyzed， while the response characteristics to the infection of R. solani and the expression patterns of four plant hormones （jasmonic acid： JA， salicylic acid： SA， ethylene： ETH， kinetin： KT） after treatment， and the expression patterns in different tissues in rice were analyzed through qPCR. Overall， the rice Hsf proteins could be classified into five groups. The three OsHsf subfamily genes were evolutionarily distant from each other. The 25 Hsf proteins had different molecular weights and most of them were unstable， but their gene structures were relatively conserved. These genes might be associated with hormone response as well as light signaling pathways. Five genes were constitutively expressed and seven genes were tissue-specific. In general， rice Hsf genes were less induced by R. solani， with 11 up-regulated genes mainly in the OsHsfA and OsHsfB subfamiliy and four down-regulated genes mainly in the OsHsfC subfamily， suggesting a possible divergence in the evolution of Hsf genes in regulating resistance to sheath blight. Four genes （OsHsfA2a， OsHsfA3， OsHsfB2a and OsHsfB2c） were highly expressed mainly in leaves and leaf sheaths while strongly responding to sheath blight， suggesting that these genes might be involved in regulating resistance to sheath blight. Most Hsf genes were able to respond to the treatments of four plant hormones， and overall， most OsHsf genes showed down-regulated expression in JA， SA and ETH treatments， and only a few showed up-regulated expression. There were one， three and three Hsf with opposite induced expression characteristics in JA and SA， SA and ETH， and JA and ETH treatments， respectively， and 18， 16 and 13 were similarly expressed， respectively. Four rice Hsf genes， including OsHsfA2a， OsHsfA3， OsHsfB2a， OsHsfB2c， might be involved in regulating the resistance to rice sheath blight and the response characteristics of Hsf genes in rice to different plant hormones were clarified， which provided a reference for further studies on the function of Hsf in rice stress response.

Key words： rice;OsHsf gene;sheath blight;defense-related hormone

植物生長在復雜的環境中，無法規避不利環境因素對其生長的干擾，因此，為了適應惡劣的生存環境，植物已經形成了復雜的脅迫調節與反應網絡[1]。植物對各種脅迫的反應主要是通過各類信號元件對脅迫信號的感知與傳導，由此激活大量脅迫相關基因的表達及功能蛋白質的合成[2]。在面對外部脅迫時，許多功能蛋白質，如組織調節蛋白質、離子通道蛋白質、轉運蛋白質和抗氧化蛋白質等大量合成并積累，而這些功能蛋白質主要受到特定轉錄因子調節[3-4]。在上述植物轉錄因子中，熱激轉錄因子（Hsf）是信號轉導通路的終端元件，參與應對各種非生物/生物脅迫，對于維持植物生長發育是必不可少的[5-6]。

自Hsf基因首次在番茄中克隆后[7]，其他植物中的Hsf基因也相繼被確認并克隆，例如，擬南芥中有21個Hsf基因，小麥中有78個Hsf基因[8]，玉米中有25個Hsf基因[9]，水稻中有25個Hsf基因[10]。盡管不同物種中的Hsf蛋白數量和序列有所不同，但是其蛋白質結構是相對保守的。根據植物Hsf蛋白結構，可將其分為A、B、C 3類[11]，其中A類Hsf含有DNA結合結構域（DBD）、寡聚結構域（OD）、核定位/輸出信號（NLS、NES）及轉錄激活結構域（AHA motif）[5，11]。HsfA1s被認為是擬南芥、番茄熱激反應的主要調控因子[12-13]。而B類、C類Hsf缺乏AHA結構域，沒有明顯的轉錄激活因子功能[5]，大多數B類Hsf的C端存在1個抑制結構域，使其缺乏轉錄激活功能。目前，已知的Hsf可以識別并結合多個含有熱激元件的熱激基因的啟動子序列（HSE）并調控其表達[5，14]。

已有研究結果顯示，Hsf廣泛參與了如高溫脅迫、低溫脅迫、鹽脅迫、干旱脅迫、病原菌危害等多種非生物/生物脅迫的響應及對生長發育的調控，其在擬南芥、番茄中的報道較多。在非生物脅迫方面，AtHsfA2是誘導高水平熱激反應的轉錄激活因子，在擬南芥的耐熱性中發揮了重要作用[15]；AtHsfA3受到干旱、高溫誘導表達[16-17]；AtHsf5是AtHsfA4的特異性抑制因子[18]；AtHsfA6a是擬南芥脫落酸（ABA）信號通路中關鍵的轉錄激活因子[19]；AtHsfB1、AtHsfB2b是擬南芥中抑制熱激基因表達的轉錄抑制因子[11， 20]；過表達LpHsfA1a可強化番茄的耐熱性[21]。在生物脅迫方面，AtHsf1b能夠增強擬南芥對細菌（Pst DC3000）、卵菌（Hpa WAC09）的抗性[22]；AtHsfB1、AtHsfB2b可通過調控防御相關基因AtPdf1.2的表達來增強植物對病原菌的抗性[23]；LpHsfA1a參與R基因介導的對線蟲的抗性[24]。在生長發育方面，AtHsfB4可以控制根部細胞的分裂，此前的研究結果表明，AtHsfB4突變體（scz-2）主根長度顯著變短[25-26]。在正常生長條件下，擬南芥hsfb1-1、hsfb2b-1雙突變幼苗與野生型相比擁有更長的下胚軸；AtHsfB2a是擬南芥配子體發育所必需的[27]；AtHsfA9在擬南芥種子萌發過程中高表達，有助于胚胎生長及種子活化[28]。

目前，Hsf家族成員已在多種作物中被鑒定，但是除了在擬南芥中的研究較多外，在其他物種中缺乏深入的研究，使得Hsf基因在相關抗逆機制中的功能研究進展緩慢。雖然目前研究者已經在水稻中鑒定到25個典型Hsf成員，對其基因結構及進化關系也有了初步研究結果[10， 29]，個別Hsf的功能也得到了初步研究。例如，OsHsfB4d能夠結合OsHsp18.0-CI的啟動子并激活其表達，最終增強水稻對白葉枯病的抗性[30]；OsHsfA4a基因過表達的水稻能夠增強對金屬鎘的耐受性[31]；OsHsfA2c、OsHsfB4b蛋白可以相互作用，結合在分子伴侶基因OsHsp100的啟動子上并激活其轉錄，調控水稻對多種脅迫的反應[32]；過表達OsHsfA7會使水稻的根毛、側根長度顯著變短，說明OsHsfA7在水稻根系發育過程中起著重要作用[33]；OsHsfA1a、OsHsfA2a通過參與水稻乙烯通路來提高水稻的耐熱性[34]；高溫可以顯著誘導OsHsfB2b的表達，進一步研究發現，OsHsfB2b能夠正調控水稻的耐高溫性，負調控對高鹽脅迫的耐受性[35]。但總體而言，目前關于大多數水稻Hsf基因的功能仍不清楚，有待進一步研究。

由立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）引起的紋枯病是水稻最具破壞性的真菌性病害之一，紋枯病病菌主要通過侵染水稻的葉鞘、葉片組織及破壞水稻正常生長，從而造成水稻產量損失、稻米品質下降[36-37]。有研究發現，植物激素在參與紋枯病抗性調控方面具有重要作用[38-41]。例如，水稻WRKY轉錄因子WRKY30、WRKY80能夠通過調控JA、ETH的生物合成和代謝，從而調節水稻對紋枯病的抗性[42-43]。OsACS2是重要的ETH合成相關基因，相較于野生型，其過表達植株體內的ETH大量合成，增強了水稻對紋枯病的抗性[44]。外源噴施SA可以抑制紋枯病病菌的增殖，從而提高水稻對紋枯病的抗性[45]。OsOSM1是水稻JA信號通路的相關基因，OsOSM1的過表達被證實能夠增強水稻對紋枯病的抗性[46]。薛薌等[47]發現，外源施用ETH類物質能夠增強水稻對紋枯病的抗性，相反，施用ETH合成抑制劑會降低水稻對紋枯病的抗性，與野生型相比，ETH受體突變體更易感紋枯病。Taheri等[48]研究發現，維生素B2（VB2）能夠激活水稻體內JA或ETH信號通路并誘導相關防御基因的表達，證明用VB2處理水稻的確增強了其對紋枯病的抗性。另有研究發現，VB2增強水稻對紋枯病的抗性與其激活JA介導的苯丙烷代謝通路相關[49]。然而，Hsf基因是否參與水稻對紋枯病病菌的防御反應還未見報道。

為了明確哪些Hsf家族基因參與水稻對紋枯病病菌的防御反應并解析其可能參與的激素信號途徑，本研究擬系統分析25個水稻Hsf家族基因對紋枯病病菌侵染的響應特征及用4種激素[茉莉酸（Jasmonic acid，JA）、水楊酸（Salicylic acid，SA）、乙烯（Ethylene，ETH）和激動素（Kinetin，KT）]處理后的表達模式，同時分析它們在水稻不同組織中的表達情況。研究結果旨在進一步豐富Hsf家族基因在生物脅迫過程中的響應機制，尤其是在水稻對紋枯病抗性方面的功能和機制。

1 材料與方法

1.1 水稻植株培養

本研究選取的水稻材料為Dongjin。種子經浸種（48 h）、催芽（36 h）后分別播種于96孔發芽盒、長條盆中，發芽盒、長條盆分別放置在28 ℃培養箱、人工氣候室中，濕度保持在80%，光照培養時間為16 h，黑暗培養時間為8 h。

1.2 水稻紋枯病病菌的培養及人工接種

本研究所用水稻紋枯病病菌菌株YN-7由本實驗室采集并保存。紋枯病病菌的培養及接種參照已報道的方法[50-51]。首先將整張木片裁剪成長×寬=1 cm×2 mm的小木片，并將其均勻放置在塑料培養皿中，向培養皿中加入5 ml 馬鈴薯葡萄糖肉湯（Potato dextrose broth， PDB）培養液，將培養好的紋枯病病菌菌塊接種在培養皿中間，于28 ℃黑暗培養3 d，挑選長滿紋枯病病菌菌絲的小木片作為接種物。以在人工氣候室中生長至分蘗末期的Dongjin植株為接種對象，用鑷子將上述接種物夾取到自上而下第3葉葉鞘內壁自上而下約2 cm處，分別在接種前與接種后6 h、9 h、12 h、24 h、48 h取以接種位置為中心的1 cm長的葉鞘組織并提取RNA。

1.3 激素噴施處理

以在培養箱中生長至4葉期的Dongjin植株為處理對象，分別配制并噴施100 μmol/L茉莉酸、10 mmol/L激動素、8 mmol/L水楊酸和500 μmol/L乙烯，同時設置空白對照（噴施清水），分別在噴施前與噴施后4 h、12 h、24 h取葉片并提取RNA。

1.4 系統進化樹分析

從NCBI網站（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov）下載水稻基因組序列文件及水稻基因組注釋信息文件，用TBtools提取水稻的Hsf蛋白氨基酸序列，并用One Step Build a ML Tree工具軟件進行系統進化樹構建，Bootstrap設置為1 000次重復。

1.5 生物信息學分析

水稻Hsf蛋白特征、蛋白質結構域、基因結構和啟動子順式作用元件的分析借助TBtools軟件完成。用TBtools軟件對水稻Hsf的蛋白質氨基酸序列、基因堿基序列及啟動子（2 000 bp）序列進行提取，用Protein Parameter Calc軟件對水稻Hsf蛋白的各項理化性質進行分析；用Batch SMART軟件對其蛋白質結構域進行分析；用Gene Structure View軟件對其基因結構進行分析；結合Simple BioSequence Viewer與PlantCare（https：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）在線網站對順式作用元件進行分析。

1.6 RNA提取與熒光定量PCR分析

水稻各樣品的RNA提取使用南京諾唯贊生物科技股份有限公司生產的RNA-easy Isolation Reagent試劑盒。cDNA的合成使用南京諾唯贊生物科技股份有限公司生產的HiScript Ⅲ 1st Strand cDNA Synthesis Kit （+gDNA wiper）。以水稻Actin基因（登錄號：LOC_Os01g12900）作為內參，各Hsf基因的熒光定量PCR引物見表1，設置3個生物學重復，每個生物學重復包含3次技術性重復。熒光定量PCR分析的體系配置及上機操作參照南京諾唯贊生物科技股份有限公司的ChamQ SYBR qPCR Master Mix說明書進行。參照2-△△Ct方法計算各Hsf基因在不同處理下的相對表達量。

2 結果與分析

2.1 水稻Hsf蛋白的系統進化分析

通過NCBI網站（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov）對Hsf基因進行檢索，最終從水稻全基因組中確定25個OsHsf基因，包括13個OsHsfA基因、8個OsHsfB基因和4個OsHsfC基因。進一步對這25個基因在水稻染色體上的物理位置進行匯總，發現OsHsf基因在染色體1～染色體10上均有分布，在染色體11、染色體12上不存在，其中染色體4、染色體5、染色體10上各有1個OsHsf基因，染色體3上的OsHsf基因最多，有6個（圖1A）。

根據各OsHsf蛋白的氨基酸序列，進一步利用TBtools構建Hsf蛋白的系統進化樹。由圖1B可以看出，這些蛋白質可分為3個大組，即組Ⅰ～組Ⅲ，其中組Ⅰ包含1個亞組，組Ⅱ、組Ⅲ各包含2個亞組。因此，總體上可將水稻Hsf蛋白劃分為組Ⅰ-1、組Ⅱ-1、組Ⅱ-2、組Ⅲ-1和組Ⅲ-2，其中8個OsHsfB均出現在組Ⅱ-1，4個OsHsfC均出現在組Ⅲ-1，組Ⅰ-1、組Ⅱ-2各包含1個OsHsfA，其余OsHsfA分布在組Ⅱ-1、組Ⅲ-1、組Ⅲ-2中。表明3個OsHsf亞家族基因在進化關系上距離較遠。此外，單獨成組的OsHsfA9、OsHsfA1與其他OsHsfA可能存在某種差異。上述結果提示，OsHsf基因可能已經在功能上產生了分化。

2.2 水稻OsHsf家族基因的生物信息學分析

為了進一步了解OsHsf家族基因的相關分子特征，本研究利用生物信息學對其基因結構和啟動子順式作用元件以及編碼的蛋白質特征、蛋白質結構域進行分析。結果顯示，水稻中的OsHsf蛋白大小和相對分子質量分別為250～506 aa、27 220～55 280；18個Hsf蛋白的理論等電點（PI）為4.65～6.55（呈酸性），7個為7.05～9.36（呈堿性）；不穩定系數（II）為32.05～69.49，僅OsHsfC2b的不穩定系數低于40.00，提示其穩定性較好；脂溶指數、親水指數分別為57.39～79.76、-0.901～-0.265（表1）。

圖2A所示，大多數Hsf蛋白包含熱激因子結構域（HSF domain）、復合螺旋區域（Coiled coil region）和低復雜性區域（Low complexity region）等3種結構域。進一步結合Hsf蛋白系統進化樹分析發現，3個OsHsfA（OsHsfA4d、OsHsfA4b和OsHsfA2e）僅包含HSF domain和Coiled coil region，且前兩者均屬于組Ⅱ-1；OsHsfB4a、OsHsfB4c、OsHsfC2a、OsHsfC2b、OsHsfC1a和OsHsfA7僅含有HSF domain、Low complexity region，4個OsHsfC中僅有OsHsfC1b含有3種類型結構域；多數Hsf蛋白包含1個HSF domain、1個Coiled coil region和多個Low complexity reigon，其中含有3個以上Low complexity reigon的Hsf蛋白均出現在組Ⅱ-1中，且多屬于OsHsfB；OsHsfA、OsHsfC一般僅含有3個或3個以下Low complexity reigon。上述結果顯示，對于不同類型的Hsf蛋白，因其蛋白質結構不同，在植物體內的功能亦可能有所不同。

對25個OsHsf基因的外顯子/內含子組成進行分析，結果顯示，OsHsf基因的結構總體較為保守，多數基因含有相似數量的外顯子、內含子，除OsHsfA9、OsHsfB2b、OsHsfB2c、OsHsfA2c和OsHsfA2d外，其余基因均只含有2個外顯子，同時該家族基因的內含子數量整體較少，大多數成員的內含子數量少于4個（圖2B）。

進一步對OsHsf基因上游2 kb的啟動子序列中的順式作用元件進行預測，對預測結果中注釋為水稻響應元件的部分進行匯總，最終獲得8種共計95個順式作用元件。進一步分析發現，有4種元件與激素反應有關且占比較高，分別是ABRE、CARE、P-box和TATC-box，其中ABRE元件為脫落酸響應元件，其余3種為赤霉素響應元件。此外，光響應元件Sp1和轉錄核心元件TATA-box的出現頻率也較高（圖2C）。

2.3 水稻OsHsf基因的組織表達模式分析

為了進一步分析25個OsHsf基因在水稻不同組織中的表達模式，本研究以Dongjin植株為材料，在孕穗早期分別選取根、莖、葉片、葉鞘及穗的組織樣品，以檢測OsHsf家族基因在水稻5個組織中的表達特征。圖3結果顯示，25個OsHsf基因中有5個基因表現為組成型表達模式，其中OsHsfA7、OsHsfC2b在選取的5份組織樣品中均有較高表達量，而OsHsfA2a、OsHsfA3和OsHsfA6的表達量相對較低。另外，有7個基因呈組織特異性表達，其中OsHsfA2d、OsHsfB2a和OsHsfB2c主要在葉片、葉鞘組織中表現出較高表達量；OsHsfB2b、OsHsfB4a主要在根部表現出較高表達量；OsHsfB4b、OsHsfB4c在莖中的表達量明顯高于其他組織。上述結果表明，組織差異化表達的水稻Hsf基因可能在不同組織部位發揮相關功能。

2.4 水稻OsHsf基因響應紋枯病病菌侵染的表達特征

為研究水稻OsHsf基因響應紋枯病病菌侵染的表達特征，本研究檢測并分析了各OsHsf基因在紋枯病病菌侵染后不同時間點（0 h、6 h、9 h、12 h、24 h、48 h）的表達特征。圖4A顯示，25個基因中有15個對紋枯病病菌的侵染有響應，未響應的有6個，另外4個基因（OsHsfB2b、OsHsfB4a、OsHsfB4b、OsHsfB4c）未檢測到表達，可能與其主要在根部組織或莖 組織中特異性表達有關。在響應紋枯病病菌侵染的15個基因中，受誘導上調表達的基因有11個（OsHsfA2a、OsHsfA2b、OsHsfA2c、OsHsfA3、OsHsfA4b、OsHsfA4d、OsHsfA6、OsHsfB1、OsHsfB2a、OsHsfB2c、OsHsfC1b），下調表達的基因有4個（OsHsfA2d、OsHsfC1a、OsHsfC2a、OsHsfC2b），但總體受誘導表達的強度較低。

就不同亞家族而言，4個OsHsfC基因中僅有OsHsfC1b上調表達，其余3個OsHsfC均呈下調表達；8個OsHsfB基因中，除了上述4個未檢測到表達的基因外，另外4個OsHsfB中除OsHsfB4d未響應外，其余3個OsHsfB均受紋枯病病菌誘導而上調表達；13個OsHsfA亞家族基因受紋枯病病菌誘導表達的模式相對均衡，其中5個不受紋枯病病菌誘導，7個表現為上調表達，1個表現為下調表達。根據響應時期，在紋枯病病菌接種早期（6～12 h）受誘導上調表達的基因為OsHsfA3、OsHsfA4d、OsHsfA6、OsHsfB1和OsHsfC1b，下調表達的基因為OsHsfA2d、OsHsfC1a、OsHsfC2a；在晚期（24～48 h）受誘導上調表達的基因為OsHsfA2a、OsHsfA2b、OsHsfA2c、OsHsfA4b、OsHsfB2a、OsHsfB2c，下調表達的基因為OsHsfC2b。

以上結果表明，OsHsf家族基因間，尤其是各亞家族基因間響應紋枯病病菌誘導表達的特征存在一定差異。

2.5 水稻OsHsf基因響應植物激素的表達

JA、SA和ETH廣泛參與植物的抗病信號途徑，近年來KT也被發現參與植物抵御腐生性病原菌（如紋枯病病菌）的侵染響應[38]。為此，本研究擬進一步分析各OsHsf基因在JA、KT、SA和ETH處理下及不同處理時間點（0 h、4 h、12 h、24 h）的表達情況。圖4B結果顯示，多數基因均響應上述4種激素處理。25個基因中，對JA無響應的有3個（OsHsfA2a、OsHsfA5、OsHsfB2b），有響應的有22個，且只有2個基因（OsHsfA2c、OsHsfC1b）受到JA誘導而上調表達，其余均為下調表達；在KT處理中，有4個基因（OsHsfA6、OsHsfB2b、OsHsfB4c、OsHsfB4d）未表現出響應，響應的21個基因中，僅OsHsfC1b上調表達，其余20個均下調表達；在SA處理中，有3個基因（OsHsfA7、OsHsfB4c、OsHsfC2b）未響應，在響應的22個基因中，有2個基因（OsHsfB2b、OsHsfC1b）上調表達，其余20個下調表達；在ETH處理中，有6個基因（OsHsfA7、OsHsfB1、OsHsfB4a、OsHsfB4b、OsHsfB4c、OsHsfC2b）未響應，響應的19個基因中，3個基因（OsHsfA2a、OsHsfB2b、OsHsfC1a）為上調表達，16個基因為下調表達。總體來說，大部分OsHsf基因在上述4種植物激素處理下呈下調表達。對比發現，JA處理與SA處理相比，有1個Hsf基因（OsHsfA2c）受誘導表達的特征相反，相似的有18個（OsHsfA6、OsHsfA1、OsHsfA2b、OsHsfA2d、OsHsfA2e、OsHsfA3、OsHsfA4b、OsHsfA4d、OsHsfA9、OsHsfB1、OsHsfB4a、OsHsfB4b、OsHsfB4d、OsHsfB2a、OsHsfB2c、OsHsfC1a、OsHsfC1b、OsHsfC2a）；SA處理和ETH處理相比，有3個Hsf基因（OsHsfA2a、OsHsfC1a、OsHsfC1b）受誘導表達的特征相反，相似的有16個（OsHsfA5、OsHsfA2c、OsHsfA6、OsHsfA1、OsHsfA2b、OsHsfA2d、OsHsfA2e、OsHsfA3、OsHsfA4b、OsHsfA4d、OsHsfA9、OsHsfB2b、OsHsfB4d、OsHsfB2a、OsHsfB2c、OsHsfC2a）；JA處理和ETH處理相比，有3個Hsf基因（OsHsfA2c、OsHsfC1a、OsHsfC1b）受誘導表達的特征相反，相似的有13個（OsHsfA6、OsHsfA1、OsHsfA2b、OsHsfA2d、OsHsfA2e、OsHsfA3、OsHsfA4b、OsHsfA4d、OsHsfA9、OsHsfB4d、OsHsfB2a、OsHsfB2c、OsHsfC2a）。

就不同亞家族而言，13個OsHsfA中有8個基因（OsHsfA1、OsHsfA2b、OsHsfA2d、OsHsfA2e、OsHsfA3、OsHsfA4b、OsHsfA4d、OsHsfA9）在4種激素處理下的表達模式相同，均為下調表達，其余5個基因中，OsHsfA2a未響應JA處理，但在KT、SA處理后表現為下調表達，在ETH處理后表現為上調表達；OsHsfA5同樣未響應JA處理，而在其余3種激素處理后表現為下調表達；OsHsfA2c受到JA的誘導表現為上調表達，受到其余激素的誘導表現為下調表達；OsHsfA6未響應KT處理，而在其余3種激素處理下表現為下調表達；OsHsfA7不響應SA、ETH的誘導，而在JA、KT處理后表現為下調表達。8個OsHsfB中，OsHsfB2a、OsHsfB2c在4種激素處理下均表現為下調表達，另有OsHsfB1、OsHsfB4a和OsHsfB4b未響應乙烯處理，但在其余3種激素處理下表現為下調表達；OsHsfB2b不響應JA、KT處理，而在SA、ETH處理下表現為上調表達；OsHsfB4c僅在JA處理下表現為下調表達，未響應其余激素處理；OsHsfB4d未響應KT處理，在其余3種激素處理下表現為下調表達。4個OsHsfC中，OsHsfC2a在4種激素處理下均表現為下調表達；OsHsfC1a在ETH處理下表現為上調表達，在其余3種激素處理下表現為下調表達；OsHsfC1b的表達模式則與OsHsfC1a相反，僅在ETH處理下表現為下調表達；OsHsfC2b未響應SA、ETH處理，在JA、KT處理下表現為下調表達。上述結果表明，部分OsHsf家族基因可能參與到JA、KT、SA和ETH等4種植物激素調控的信號傳導網絡中，并且發揮了不同的作用。

3 討論

水稻Hsf基因與植物的脅迫響應息息相關，通過近30年的研究與發展，越來越多的水稻Hsf基因功能和機制得到明確與解析，但這些研究多數圍繞Hsf基因對非生物脅迫的響應，而對水稻病蟲害等生物脅迫響應的功能研究不多見。紋枯病作為水稻最主要的病害之一，會對水稻產量、品質造成重大影響，為了探索Hsf基因與水稻紋枯病抗性間的關系，本研究首先構建了水稻Hsf家族基因的系統進化樹，將水稻Hsf分為Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅲ-1、Ⅲ-2等5組，并且3個OsHsf亞家族基因在進化關系上的距離較遠，這與前人報道的結果[10]基本一致，暗示OsHsf亞家族基因在功能上可能已經產生了分化。結合Hsf蛋白結構域預測及系統進化樹結果，本研究發現，不同Hsf蛋白包含的結構域類型及各類型的數量有所不同，同時，結構域類型、數量相同或某特定結構域數量相同的Hsf多集中在同一組中，暗示不同類型的Hsf蛋白因其蛋白質結構不同，可能在植物體內發揮不同功能，然而目前關于水稻Hsf基因的大多數生物學功能還未知，值得我們進一步研究。

水稻紋枯病的發生貫穿秧苗期至穗期，尤其是在抽穗期前后，紋枯病的發生最為嚴重。一般情況下，紋枯病病菌主要侵染水稻的葉鞘、葉片，在重發病情況下甚至會蔓延至穗部[47]。本研究對25個OsHsf基因的組織表達模式及其對紋枯病病菌的響應特征進行了分析，結果表明，OsHsfA2d、OsHsfB2a和OsHsfB2c在葉鞘、葉片中表現為特異的高表達，此外，呈組成型表達的5個基因在葉鞘或葉片中均有較高的表達量。當被紋枯病病菌侵染后，25個基因中有15個對紋枯病病菌的侵染有響應，但總體受誘導的強度較低，其中11個上調表達的基因主要集中在OsHsfA、OsHsfB亞家族，4個下調表達的基因主要集中在OsHsfC亞家族，暗示不同Hsf基因對逆境響應的功能已發生了分化，部分Hsf基因可能參與調控水稻對紋枯病的抗性。鑒于紋枯病病菌主要侵染水稻葉鞘和葉片，因此既受紋枯病病菌侵染誘導表達且在葉鞘、葉片中表現為較強表達的基因才可能影響水稻對紋枯病的抗性。因此，結合響應紋枯病病菌侵染和組織表達結果，筆者推測4個基因（OsHsfA2a、OsHsfA3、OsHsfB2a、OsHsfB2c）最可能參與調控水稻對紋枯病的抗性，后期有必要通過基因敲除、過表達等方法進一步驗證其在水稻紋枯病抗性中的功能。JA、KT、SA和ETH是植物免疫信號轉導通路中關鍵的信號分子，此前的研究結果也表明，這4種激素均參與調控水稻對紋枯病的免疫反應[42-45]。上述4個候選基因中，除OsHsfA2a未響應JA處理且在ETH處理后表現為上調表達外，其余均受JA、KT、SA和ETH誘導下調表達，結合此前Wu等[34]的報道，OsHsfA2a通過參與水稻ETH通路來提高水稻的耐熱性，因此我們推測OsHsfA2a可能通過ETH信號途徑，同時介導水稻的耐熱性及對紋枯病的抗性，后續可通過創制OsHsfA2a過表達及敲除轉基因材料進一步驗證此假設。對上述OsHsf基因進行深入研究并明確其是否參與水稻紋枯病的抗性調控，有利于進一步完善對植物免疫信號轉導通路的研究，豐富人們對水稻抗紋枯病的信號傳導網絡的認識。

在植物細胞信號傳導通路中，JA、SA信號通路之間存在相互拮抗效應，但也能發揮協同作用[38]，此外，SA、ETH信號的相互作用通常以協同為主，在部分情況下，這3種激素也可能共同參與到植物的免疫反應中[52]。通過分析Hsf家族基因在4種激素（JA、SA、ETH和KT）處理下的表達模式，我們發現多數基因均能夠響應4種激素處理，因而猜測這些基因可能參與到這4種植物激素調控的信號傳導網絡中。通過比較各Hsf基因對各激素的響應模式，我們發現在JA、SA處理后響應相反的基因有1個，響應相似的基因有18個，在SA和ETH、JA和ETH處理后響應相反的基因均有3個，響應相似的基因分別有16個、13個，這些結果不僅印證了不同植物激素信號通路間存在的協同作用與拮抗效應，也說明這些OsHsf基因可能通過參與不同激素信號來調控相應的逆境響應或生長發育功能，研究結果將為進一步解析水稻Hsf基因的功能和作用機制提供參考。

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（責任編輯：徐 艷）

收稿日期：2023-02-01

基金項目：國家自然科學基金項目（31872858、32000362）；江蘇省政府種業振興項目[JBGS（2021）001]；江蘇省研究生科研創新計劃資助項目（KYCX20_2985）；揚州大學“青藍工程”項目

作者簡介：高 鵬（1994-），男，江蘇常州人，博士研究生，研究方向為水稻抗紋枯病分子育種。（E-mail）yzugaopeng@163.com。王廣達為共同第一作者。

通訊作者：左示敏，（E-mail）smzuo@yzu.edu.cn;胡珂鳴，（E-mail）hukm@yzu.edu.cn