马铃薯StTIFY基因家族的功能基因组学：基于全基因组研究对胁迫抗性的见解

帕尔尚特·库马尔·夏尔马（Parshant Kumar Sharma）| 罗莎尼·辛格（Roshani Singh）| 马亨德拉·亚达夫（Mahendra Yadav）| 迪潘舒·瓦希什特（Deepanshu Vashisht）| 纳雷什·兰巴（Naresh Lamba）| 迪克尚特·詹格拉（Dikshant Jangra）

印度瓦拉纳西（Varanasi）巴纳拉斯印度教大学（Banaras Hindu University）农业科学研究所（Institute of Agricultural Sciences）遗传学与植物育种系（Department of Genetics and Plant Breeding）

摘要

TIFY基因家族在多种生物过程中起着关键作用，但在马铃薯中的特征研究尚不充分。通过生物信息学分析，在11条染色体上共鉴定出22个StTIFY基因，只有第2条染色体没有StTIFY基因。这些基因主要位于细胞核、叶绿体和细胞质中。GO富集分析揭示了该基因家族的多种功能，特别是其在茉莉酸信号传导和防御反应中的作用。通过microRNA预测发现了65个靶向这些基因的miRNA，其中stu-miR169家族的成员被认为与盐胁迫和干旱胁迫反应有关。多重序列分析和保守结构域分析证实了所有鉴定出的StTIFY蛋白中都存在保守的TIFY结构域（PF06200）。基因重复事件的评估表明，片段重复在StTIFY基因家族的扩展中起到了重要作用。跨物种的序列一致性分析显示与番茄有很强的保守性，表明它们在功能上可能存在相似性。基于先前发表的RNA-seq数据进行的表达分析表明，这些基因可能参与营养生长和胁迫响应途径。StTIFY3、StTIFY12、StTIFY14和StTIFY15在热胁迫、盐胁迫和甘露醇胁迫下表达上调，而几乎所有基因都对损伤有响应。StTIFY3、StTIFY6、StTIFY8和StTIFY12与干旱响应途径相关，而StTIFY10、StTIFY18、StTIFY16、StTIFY19和StTIFY20与对抗Ralstonia solanacearum感染的防御反应相关。为了验证计算机预测的结果，进行了qRT-PCR实验，以分析选定StTIFY基因在干旱胁迫下的表达谱。qRT-PCR结果显示，在干旱后期，StTIFY3和StTIFY12在根部的表达显著上调。总体而言，本研究提供了TIFY基因家族的全基因组概述，并初步探讨了它们在马铃薯胁迫响应调控途径中的潜在作用。

引言

植物特异性的TIFY（拟南芥中的转录因子，包含异亮氨酸（I）和苯丙氨酸（F）/酪氨酸（Y）结构域）（TFs）是一类在胁迫响应中起关键作用的转录因子（Zhang等人，2012年）。在TIFY结构域中存在一个高度保守的基序（TIF(F/Y)XG），这是TIFY家族所特有的（Vanholme等人，2007年）。根据其结构域设计和整体序列，先前的研究已经确定了TIFY家族中的多个亚家族，包括JAZ（茉莉酸ZIM结构域）、ZIM/ZML（锌指花序分生组织结构域：ZIM和ZIM类似结构域）和PPD（PEAPOD）（Bai等人，2011年；Zhang等人，2012年）。过去，TIFY结构域被认为是表达在花序分生组织中的锌指蛋白，这一结构域最初在基因AT4G24470中被发现，该基因编码一个潜在的转录因子，还包括CCT结构域和C2C2-GATA锌指结构域（Nishii等人，2000年）。迄今为止，已在多种物种中鉴定出TIFY基因；例如，在木薯中鉴定出28个（Zheng等人，2022年），在水稻中鉴定出20个（Yan等人，2009年），在烟草中鉴定出33个（Zhang等人，2024年），在B. rapa、B. napus和B. oleracea中分别鉴定出77个、36个和39个（He等人，2020年），在玉米中鉴定出48个，在番茄中鉴定出26个（Heidari等人，2021年），在拟南芥中鉴定出18个（Chung和Howe，2009年），在小麦中鉴定出49个（Ebel等人，2018年）。玉米中的ZmTIFY16对低温、脱水、干旱和ABA有响应；能提高耐旱性和耐盐性，增强叶绿素和脯氨酸水平，提高SOD活性，并降低丙二醛含量（Zhang等人，2023年）。番茄中的Solyc08g036640和Solyc08g036620对Agrobacterium tumefaciens具有抗性（Heidari等人，2021年）。小麦中的TaJAZ1能增强生物胁迫抗性（Jing等人，2019年）。TIFY家族调节细胞信号传导、植物胁迫响应，并对胁迫响应基因具有重要作用（Zhang等人，2023年；Jing等人，2019年）。

在TIFY亚家族中，JAZ蛋白被认为是茉莉酸（JA）信号传导途径的关键负调控因子。在正常生理条件下，JAZ蛋白抑制JA响应的转录因子（如MYC2（MYELOCYTOMATOSIS 2），从而抑制下游胁迫响应基因的表达（Wasternack和Hause，2013年）。当感知到胁迫时，生物活性的茉莉酸衍生物jasmonoyl-isoleucine（JA-Ile）被F-box蛋白CORONATINE INSENSITIVE1（COI1）识别，导致JAZ蛋白通过26S蛋白酶体途径被泛素化和降解（Chico等人，2008年）。JAZ抑制因子的降解随后释放MYC2和其他转录因子，激活JA介导的防御反应、伤口信号传导、次生代谢和非生物胁迫适应途径（Zeng等人，2025年；Song等人，2022年）。因此，TIFY/JAZ家族蛋白被认为是连接茉莉酸信号传导与植物生长、防御和环境胁迫响应的中心调控因子。

马铃薯（Solanum tuberosum）作为世界第三大重要粮食作物，具有重要的经济价值（Wang等人，2023a、2023b、2023c、2023d）。然而，生物和非生物条件的变化，包括碱性、盐分、高温、水分积聚和害虫侵袭，正在显著降低作物产量（Birch等人，2012年）。由于TIFY基因对于响应生物和非生物胁迫因素至关重要，因此在马铃薯作物中鉴定和功能分析这些基因可以显著减少产量损失。马铃薯是一种极其重要的粮食作物，但迄今为止对其TIFY转录因子（TFs）的研究很少。本研究旨在利用先前在线数据库中的RNA-seq数据鉴定马铃薯基因组中的TIFY TF基因并确定其功能。通过使用各种生物信息学工具，全面识别和表征马铃薯中的TIFY基因家族，以阐明它们在各种胁迫响应中的作用，最终有助于开发具有改良性状的新型马铃薯品种。

章节片段

从Phytozome v13数据库中获取了Solanum tuberosum的氨基酸（AA）序列数据（https://phytozome-next.jgi.doe.gov/）。与TIFY基因家族相关的PF06200结构域被用作查询，在BLAST-P程序中用于定位S. tuberosum基因组中的TIFY基因。然后通过将获得的氨基酸序列与NCBI的保守结构域数据库（CDD）进行比较来确认其准确性（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi）。

研究表明，马铃薯含有二十二个TIFY基因。这些蛋白质的长度从108到815个氨基酸不等，分子量从12.62842到90.5982 kD不等。最长的蛋白质是StTIFY9，最短的是StTIFY6（表1）。根据GRAVY分析得出的负值，所有马铃薯TIFY蛋白均为亲水性蛋白，可溶于水。除了StTIFY9和StTIFY15（其不稳定性指数分别为37.38和31.26）外，所有基因

TIFY基因家族对于管理生物和非生物胁迫至关重要，并且对植物生长调节起着重要作用。它在激素信号传导中起重要作用，帮助植物适应环境挑战，其中JAZ亚家族在多种植物物种中得到了广泛研究（Yan等人，2009年；Ye等人，2009年；Demianski等人，2012年）。然而，关于马铃薯中TIFY基因家族的表达和作用知之甚少。

在Solanum tuberosum中发现了二十二个StTIFY基因。通过基因结构分析发现，StTIFY基因包含2到31个外显子。与光、发育、激素和胁迫响应相关的顺式调控元件的存在表明，StTIFY基因可能参与马铃薯的营养生长和胁迫相关调控途径。此外，还发现了一些与生物和非生物胁迫相关的顺式调控成分。

帕尔尚特·库马尔·夏尔马（Parshant Kumar Sharma）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源提供、项目管理、方法学设计、调查、数据分析、数据整理、概念构建。罗莎尼·辛格（Roshani Singh）：监督、软件使用、调查、概念构建。马亨德拉·亚达夫（Mahendra Yadav）：资源提供、调查、数据分析。迪潘舒·瓦希什特（Deepanshu Vashisht）：验证、软件使用。纳雷什·兰巴（Naresh Lamba）：可视化、验证、调查。迪克尚特·詹格拉（Dikshant Jangra）：方法学设计

Ding等人，2020年

作者声明与本文无关的利益冲突。资助者在研究设计、数据收集与分析、手稿撰写或结果发表决定方面均没有发挥作用。

PKS感谢博士研究奖学金，该奖学金对他的研究和学术追求起到了重要作用。