中国板栗DnaJ基因家族的全基因组鉴定及CmDnaJ27在冷热胁迫响应中的功能解析

　　本研究针对极端气候下板栗抗逆性不足的产业难题，首次对中国板栗(Castanea mollissima) DnaJ基因家族进行系统鉴定，发现78个成员通过分散复制扩张，其中CmDnaJ27在冷热胁迫下显著上调表达。通过转基因烟草验证发现其过表达会降低植物抗逆性，为理解植物温度胁迫响应机制提供了新靶点。研究结合WGCNA、RT-qPCR和亚细胞定位等技术，揭示了DnaJ家族在植物环境适应中的调控网络。

　　

随着全球气候变化加剧，极端温度事件频发对农业生产造成严重威胁。作为我国重要的木本粮食作物，板栗在生长过程中常遭遇低温冻害和高温胁迫，导致产量和品质下降。植物在应对温度胁迫时，热激蛋白(HSPs)是最早被激活的防御系统，其中HSP40（又称DnaJ蛋白）作为HSP70的分子伴侣，通过增强HSP70的ATP酶活性在胁迫响应中发挥关键作用。然而，板栗DnaJ基因家族的组成及其在温度胁迫中的调控机制尚不明确，这限制了板栗抗逆品种的选育进程。

河北科技师范学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表了开创性研究，首次对中国板栗DnaJ基因家族进行全基因组鉴定，并揭示了CmDnaJ27在温度胁迫中的负调控作用。研究整合生物信息学分析和实验验证，发现78个CmDnaJ基因主要通过分散复制扩张，其中CmDnaJ27在冷热胁迫下表达显著上调。通过构建35S:CmDnaJ27转基因烟草，意外发现其过表达会降低植物的温度耐受性，表现为氧化损伤加剧和光合效率下降。这一发现为理解植物温度胁迫响应机制提供了新视角。

研究采用多组学技术开展系统分析：通过全基因组扫描鉴定DnaJ家族成员；利用192个RNA-seq数据集分析基因表达模式；采用WGCNA构建共表达网络；通过RT-qPCR验证候选基因表达；运用PEG介导的拟南芥原生质体转化进行亚细胞定位；最后通过农杆菌介导的烟草遗传转化验证基因功能。实验材料包括"燕山早丰"板栗品种的幼苗和成熟坚果。

研究结果部分包含以下重要发现：

Identification and phylogenetic analysis of CmDnaJ genes
通过比较基因组学鉴定出78个CmDnaJ基因，编码蛋白的分子量从12.11到281.87 kDa不等。系统发育分析将其分为DJA、DJB和DJC三个亚家族，其中DJC亚家族成员最多（68个）。预测亚细胞定位显示33个定位于细胞核，22个在叶绿体，11个在细胞质。

Gene structure, protein motif, and domain characteristics of CmDnaJs
基因结构分析发现内含子数量从0到23不等，14个DJC亚家族成员无内含子。所有成员均含有包含HPD三肽的J结构域（Motif 1），这是与HSP70互作的关键区域。DJA和DJB亚家族主要含有G/F富集结构域（Motif 3）。

Evolutionary analysis of DnaJs in several plants
比较6种植物552个DnaJ蛋白发现，板栗与黄瓜、葡萄的DnaJ蛋白亲缘关系最近。共线性分析显示板栗与梨的直系同源基因对最多（51对），与葡萄的共线性区块最长，反映了基因家族的保守进化。

Chromosomal distribution and duplication type analysis
CmDnaJ基因不均匀分布在12条染色体上，1号染色体分布最多（9个）。复制类型分析表明62个基因通过分散复制产生，6个来自全基因组复制(WGD)，说明分散复制是家族扩张的主要驱动力。

Cis-elements,TFs regulatory network, and GO/KEGG enrichment analysis
启动子分析发现1813个顺式作用元件，包括光响应、胁迫响应和激素响应元件。31个基因含有低温响应元件(LTR)。转录因子预测显示MYB（38个）和ERF（36个）是最主要的调控因子。GO分析显示基因主要富集在分子伴侣活性等条目。

Expression profiles of the CmDnaJ genes
转录组分析显示不同成员具有组织特异性表达模式，如CmDnaJ7在败育胚珠中高表达。胁迫处理表明CmDnaJ21在干旱胁迫下持续上调，CmDnaJ77在抗虫品种中表达更高。冷热胁迫下CmDnaJ13、27、34显著上调。

WGCNA analysis,rt-qpcr,and subcellular localization
WGCNA将CmDnaJ27和34归入与温度响应显著相关的红色模块。RT-qPCR验证显示CmDnaJ27在热胁迫4h表达量增加135倍。亚细胞定位证实CmDnaJ27定位于细胞核和细胞质。

Functional analysis of CmDnaJ27 in cold and heat stresses
转基因烟草实验表明，过表达CmDnaJ27使冷处理5分钟后MDA含量提高35%，热胁迫下超氧阴离子含量增加42%，光合参数PhiPS2下降29%，证实其负调控温度耐受性。

该研究首次系统鉴定了板栗DnaJ基因家族，揭示了其通过分散复制扩张的进化特征。特别重要的是发现CmDnaJ27在温度胁迫中的独特作用机制——与传统认知不同，其过表达会降低植物抗逆性。这一发现挑战了DnaJ蛋白普遍具有正调控作用的传统观点，为理解植物温度胁迫响应网络提供了新维度。研究建立的基因家族分析框架和鉴定的关键基因，为板栗抗逆育种提供了分子靶点和理论依据。未来研究可进一步探索CmDnaJ27在细胞核和细胞质中的不同功能，以及其与HSP70等分子伴侣的互作机制。