编辑推荐：
为明确 HSP70 在甜菜抗逆中的作用，沙特阿拉伯王子萨塔姆?本?阿卜杜勒阿齐兹大学的研究人员对甜菜 BvHSP70 基因家族展开研究，发现其在应对盐和干旱胁迫中关键作用。推荐科研读者阅读，助您了解植物抗逆分子机制。
在植物的世界里，生存可不容易，它们常常要面对各种恶劣的环境，像盐分过高的土壤、干旱缺水的气候等等。在应对这些挑战时，植物体内有一群 “小卫士”，那就是热休克蛋白（Heat Shock Proteins，HSP），其中 HSP70 更是在植物应对非生物胁迫（如盐胁迫、干旱胁迫等）的过程中发挥着至关重要的作用。它就像植物细胞的 “急救医生”，帮助蛋白质正确折叠，稳定那些在压力下可能变形的蛋白质，防止它们聚集在一起 “捣乱”，维持细胞内的正常秩序。
然而，在甜菜（Beta vulgaris）这个重要的农作物身上，HSP70 基因家族的具体作用却一直是个谜。甜菜对全球的食品和制糖工业贡献巨大，大约 20% 的世界年糖产量都来自它 。而且，甜菜能在高盐和干旱环境中生长，这背后肯定有一些特殊的基因家族在起作用，可 HSP70 在其中扮演什么角色，之前却没人能说清楚。这就好比在一个神秘的城堡里，HSP70 是一把可能很重要的钥匙，但它到底能打开哪扇门，大家都不知道。
为了揭开这个谜团，来自沙特阿拉伯王子萨塔姆?本?阿卜杜勒阿齐兹大学（Prince Sattam bin Abdulaziz University）的研究人员 Pravej Alam 等人，在《BMC Plant Biology》期刊上发表了一篇名为 “Genome-wide analysis of HSP70 gene family in Beta vulgaris and in-silico expression under environmental stress” 的论文。他们通过深入研究，得出了许多重要的结论，这些结论不仅让我们对甜菜的抗逆机制有了新的认识，还为提高农作物的抗逆性、保障农业可持续发展和粮食安全提供了宝贵的线索。
研究人员在开展这项研究时，用到了几个关键的技术方法。他们从 Phytozome v13 数据库中获取甜菜的氨基酸序列，利用 BLAST - P 工具，以 PF00012 结构域为查询依据进行检索，从而找出 HSP70 基因 。之后，借助 ProtParam 预测蛋白质的理化性质，通过 WoLF PSORT 数据库预测亚细胞定位，并利用 TB - tools 将结果可视化 。在研究基因的进化关系时，他们使用 MEGA 11 和 NJ 方法构建系统发育树，还用 MCScanX 检测基因复制情况，用 TB - tools 生成共线性图谱 。另外，通过 PlantCare 数据库查找顺式调控元件，利用 PmiREN 数据库预测 miRNA 靶位点，借助这些方法来探究基因的调控机制 。
下面我们来看看具体的研究结果。
- 甜菜 HSP70 基因家族的鉴定和分子特征：研究人员就像侦探一样，仔细地在甜菜基因组中寻找 HSP70 基因。他们通过 BLAST - P 搜索，发现了 22 个 BvHSP70 成员。这些成员的分子量、等电点、亲水性等都有所不同。比如，它们的分子量在 64,716.60 到 75,749.28 Da 之间，等电点平均为 5.5219 。而且，大多数蛋白质是稳定的，只有 BcHSP70 - 13 被预测为不稳定。在染色体上，13 个基因位于 1 号染色体，其他染色体也有分布，并且基因的方向有正向和反向之分。这就像是给每个基因都找到了自己的 “住址” 和 “方向”，让我们对它们有了更直观的认识。
- 顺式元件分析：基因的调控就像一个复杂的开关系统，顺式元件就是其中的重要 “开关”。研究人员发现，在 BvHSP70 基因的启动子区域，有很多和植物激素响应、压力响应相关的顺式元件。像 TGA 和生长素敏感性有关，GARE 基序和赤霉素响应有关，还有 ABRE、TGACG 等元件，分别和水杨酸、脱落酸、茉莉酸甲酯等激素的响应相关 。此外，还发现了和光、冷、干旱胁迫响应相关的元件。这表明 BvHSP70 基因家族在植物应对各种环境变化时，可能起着非常关键的调控作用，就像一个智能的调控中心，根据不同的环境信号来调整基因的表达。
- HSP70 基因的亚细胞定位：研究人员还想知道这些基因产物都分布在细胞的哪些地方，于是进行了亚细胞定位分析。结果发现，BvHSP70 蛋白分布在细胞质、叶绿体、细胞核等不同的细胞部位，其中 53% 在细胞质，18% 在叶绿体。这说明它们在不同的细胞区域可能有着不同的 “任务”，比如在细胞质和叶绿体中，它们或许参与了分子伴侣的形成，帮助其他蛋白质正确折叠，在非生物胁迫下保护细胞，维持细胞的正常功能。
- 保守基序分析和结构域预测：通过分析，研究人员发现 BvHSP70 基因中有 7 个保守基序，这些基序在所有基因中都存在，暗示着它们在基因的调控和功能发挥中有着重要作用 。在结构域方面，所有基因都含有 HSP70 结构域，并且可以分为 PTZ00009、PLN03184 等不同的亚家族 。不同基因的外显子 - 内含子结构也不一样，有的基因只有一个外显子，没有内含子，而有的基因则有多个外显子和内含子。这种结构上的差异，可能使得基因在功能上更加多样化，就像不同的工具，有着不同的形状和功能，以适应细胞内各种复杂的需求。
- HSP70 基因家族的系统发育、基因复制和共线性分析：为了了解 BvHSP70 基因家族的 “家族历史”，研究人员进行了系统发育分析。他们把甜菜、马铃薯、拟南芥和番茄的 HSP70 蛋白序列放在一起比较，构建了系统发育树，发现这些基因可以分成四个进化分支 。同时，他们还发现 HSP70 基因在多个染色体上都有分布，1 号染色体上最多。通过分析基因的复制情况，找到了很多复制对，并且发现不同复制对的进化速度不一样，有的进化快，有的进化慢 。此外，基因组共线性分析表明，甜菜基因组中存在片段复制和串联复制事件，这揭示了 HSP70 基因家族在进化过程中的复杂性，也说明了基因复制可能是植物增强对非生物胁迫耐受性的一种重要方式。
- GO 分析和蛋白质 - 蛋白质相互作用：GO 富集分析就像是给基因的功能做了一个 “分类指南”，研究人员发现 BvHSP70 基因在蛋白质折叠、分子伴侣网络、细胞形状维持等方面都有重要作用 。在蛋白质 - 蛋白质相互作用的研究中，他们发现部分 BvHSP70 蛋白之间存在相互作用，其中 BvHSP70 - 18 的相互作用最多。这说明这些蛋白质之间可能形成了一个复杂的网络，共同协作来完成细胞内的各种生理功能，就像一个团队，成员之间相互配合，共同应对各种挑战。
- microRNA（miRNA）分析：miRNA 是基因表达调控的 “小能手”，研究人员在甜菜基因组中发现了 35 个与 BvHSP70 基因相互作用的 miRNA 。这些 miRNA 通过不同的机制调节 BvHSP70 基因的表达，有的抑制翻译，有的抑制切割，而且不同 miRNA 对不同基因的调控效果也不一样。这进一步说明了 BvHSP70 基因的表达调控非常复杂，就像一个精密的仪器，有着很多微小但关键的调节部件。
- BvHSP70 基因家族的表达分析：研究人员还研究了 BvHSP70 基因在盐胁迫和干旱胁迫下的表达情况。在盐胁迫下，13 个基因有表达，BvHSP70 - 2、BvHSP70 - 15 和 BvHSP70 - 17 在处理 1 天后显著上调，BvHSP70 - 18 在处理 7 天后显著上调 。在干旱胁迫下，20 个基因有表达，BvHSP70 - 4、BvHSP70 - 13 和 BvHSP70 - 14 显著下调，BvHSP70 - 17 和 BvHSP70 - 20 显著上调 。这些差异表达的基因，可能就是甜菜应对不同胁迫的 “秘密武器”，它们的变化反映了甜菜在面对环境压力时的自我调节机制。
综合这些研究结果，我们可以得出以下结论：研究人员成功地在甜菜中鉴定出 22 个 HSP70 基因，并且详细分析了它们的序列、结构、调控元件以及在不同胁迫下的表达模式 。这些基因在进化过程中经历了复杂的变化，基因复制事件可能增强了植物对非生物胁迫的耐受性 。而且，BvHSP70 基因家族在植物应对盐胁迫和干旱胁迫的过程中起着关键作用，不同的基因在不同时间和条件下发挥着不同的功能 。
这项研究意义重大。它让我们对甜菜中 HSP70 基因家族的功能和调控机制有了更深入的了解，为后续研究植物应对非生物胁迫的分子机制提供了重要的基础 。通过了解这些基因的作用，我们可以尝试利用基因工程或育种技术，增强农作物对盐胁迫和干旱胁迫的耐受性，提高农作物的产量和质量，保障全球的粮食安全。就好像我们找到了一把打开植物抗逆大门的钥匙，未来可以利用这把钥匙，让农作物在更恶劣的环境中茁壮成长，为人类提供更多的食物。这不仅对农业可持续发展有着重要意义，也为解决全球粮食问题带来了新的希望。
