【一区家族】桂花OfJAZ基因家族：IV-OfJAZs通过激素交叉对话调控花瓣衰老
一、文章的基本信息
在线/发表时间 2026年2月17日 第一单位和通讯作者 第一单位：School of Pharmacy, Xianning Medical College, Hubei University of Science and Technology, Xianning 437100, China（湖北科技学院咸宁医学院药学院） 通讯作者：Yingting Zhang、Jingjing Zou 发表的英文题目 The OfJAZ gene family in Osmanthus fragrans: IV-OfJAZs regulate petal senescence via hormonal crosstalk 发表的中文题目 桂花OfJAZ基因家族：IV-OfJAZs通过激素交叉对话调控花瓣衰老 发表期刊 Industrial Crops & Products二、摘要
作为茉莉酸（JA）信号通路中的植物特异性阻遏蛋白，茉莉酸ZIM结构域（JAZ）蛋白对植物的生长发育及逆境响应至关重要。在桂花（Osmanthus fragrans）中，花瓣衰老影响观赏品质和瓶插寿命，但其背后的分子机制尚未得到充分解析。本研究利用RNA-seq技术分析了桂花花瓣六个发育阶段，共鉴定出15,045个差异表达基因（DEGs）。加权基因共表达网络分析（WGCNA）揭示了一个包含ETHYLENE INSENSITIVE 3 (EIN3)-LIKE（OfEIL7）与OfJAZ的共表达模块，该模块与JA及乙烯信号通路相关基因呈显著关联。全基因组分析共鉴定出23个OfJAZ基因，系统发育分析将其聚为四个亚家族。大多数OfJAZ蛋白的TIFY和Jas结构域保守，但各亚家族在结构特征和基序组成上存在特异性变异。OfJAZ家族起源于纯化选择，并主要通过片段复制实现扩张。单倍型分析显示不同品种间存在显著遗传变异，其中部分IV-和V-OfJAZs表现出保守的单倍型。IV-OfJAZs富含茉莉酸甲酯（MeJA）响应顺式作用元件，且主要表现为低DNA甲基化水平。表达谱分析表明，OfJAZ3、OfJAZ7、OfJAZ15和OfJAZ17等多个IV-OfJAZs在花瓣衰老后期上调表达，其受MeJA诱导的表达模式与自然花瓣衰老过程相似，而乙烯处理通常会抑制这些基因的表达。转基因烟草、桂花及酵母双杂交（Y2H）实验证实，OfJAZ3和OfJAZ17与OfEIL7的互作可能在JA-乙烯激素交叉调控下延缓叶片衰老。本研究系统阐明了OfJAZ基因家族在花瓣衰老中的功能特征，为通过分子育种技术改良观赏性状和延长花期提供了理论基础。
三、结果描述
3.1 WGCNA揭示OfJAZ基因在花瓣衰老调控中的关键作用
为探究桂花（O. fragrans）开花与衰老过程中的基因表达动态，本研究对六个代表性阶段（S1–S6）的花瓣进行了RNA-seq分析，共鉴定出15,045个差异表达基因（DEGs）。为揭示花瓣衰老过程中的潜在转录调控机制，研究排除了变异度较低的基因（SD ≤ 0.5），并采用加权基因共表达网络分析（WGCNA）识别高共表达基因模块（Fig. 1A,B）。结果显示，6,637个DEGs被划分为八个 distinct 模块，其中“blue”和“green”模块在衰老期表达上调（Fig. 1C）。基于KEGG通路的功能富集分析表明，这些模块显著富集于激素信号转导通路（Fig. 1D,E）。热图可视化进一步显示，大多数激素信号相关基因在衰老晚期（S5和S6）上调（Fig. 1F,G）。
Figure 1
基于这些基因构建的调控网络识别出一个与JA和乙烯信号相关的模块，包含OfEIL7（LYG033507）及多个OfJAZ基因（LYG005255、LYG013720和LYG025853）（Fig. 1H）。这些发现提示，OfJAZ基因可能作为JA信号通路的核心调控因子，协调JA与乙烯信号之间的互作，从而调控桂花花瓣衰老。
3.2 OfJAZ基因的鉴定与理化性质分析
通过BLAST和HMMER搜索，并结合NCBI-CDD和SMART数据库的域验证，本研究共鉴定出23个OfJAZ基因，并命名为OfJAZ1–OfJAZ23（Table 1; Figure S1）。预测结果显示（Table 1），OfJAZ蛋白长度为122（OfJAZ6）至389个氨基酸（OfJAZ8），分子量介于13.457 kDa（OfJAZ6）至41.044 kDa（OfJAZ8），理论等电点（pI）为5.13（OfJAZ23）至10.28（OfJAZ6）。脂肪族指数（aliphatic index）介于53.69（OfJAZ6）至78.91（OfJAZ2），大部分蛋白位于60–75区间。除OfJAZ2、OfJAZ5、OfJAZ11和OfJAZ18外，其余OfJAZ蛋白的不稳定性指数均大于40，且所有蛋白均显示负的亲水性平均值（GRAVY）。值得注意的是，91.3%的OfJAZ蛋白预测定位于细胞核。
二级和三级结构预测显示，OfJAZ蛋白主要由α-螺旋、β-折叠和无规卷曲构成（Figures S2, S3）。α-螺旋含量为6.70%–21.49%，β-折叠为4.16%–9.09%，无规卷曲为69.42%–86.45%（Table S4）。
3.3 JAZ蛋白的系统发育关系
为评估JAZ蛋白的进化关系，研究利用23个OfJAZ蛋白和12个AtJAZ蛋白构建了系统发育树（Fig. 2）。JAZ基因家族被划分为五个 distinct 亚组，OfJAZ成员分布于其中四个。具体而言，Cluster I包含6个OfJAZ蛋白（OfJAZ2、4、8、10、16和20），Cluster II包含1个（OfJAZ21），Cluster IV包含6个（OfJAZ3、7、9、14、15和17），Cluster V包含10个（OfJAZ1、5、6、11–13、18、19、22和23）。
Figure 2
3.4 OfJAZ蛋白的基因结构与基序组成特征
为表征OfJAZ蛋白的结构特征与进化多样性，研究系统分析了其保守结构域和基序组成。结果显示，Cluster I、II和IV均含有Jas和TIFY结构域（Fig. 3A,B）。具体而言，Cluster I成员含有6–7个编码序列（CDS），均包含基序1和2，以及额外的基序15、18、19或9（偶见17）；Cluster II成员含有6个CDS，仅检测到基序2和9；Cluster IV成员含有5个CDS，均具有基序1和2，且大多数还含有基序8和11（Fig. 3A–C）。Cluster V成员结构多样性更高，含有3–11个CDS。OfJAZ1、6、12和22同时含有Jas和TIFY结构域，而OfJAZ5、11、13、18、19和23则含有ZnF_GATA、CONSTANS、CO-like、TOC1（CCT）及TIFY/Jas结构域（Fig. 3B）。该亚组所有成员均包含基序2，并与其他基序形成多种组合，如基序1、7、13、20、9或1、4、5（Fig. 3B）。这些观察表明，同一进化亚组内的蛋白具有相似的基因结构和基序排布，提示OfJAZ家族在保持保守结构特征的同时，亦表现出功能分化。
Figure 3
3.5 顺式调控元件的特征分析
为阐明OfJAZ的调控潜力，研究分析了其启动子区的顺式作用元件。共鉴定出45类与光、激素及胁迫响应相关的顺式元件（Fig. 4A）。所有OfJAZ启动子均含有多种调控元件（Fig. 4B,C），其中光响应元件最为丰富（315个），其次为激素响应元件（200个）和胁迫响应元件（118个）（Fig. 4B）。
Figure 4
激素响应顺式元件在OfJAZ启动子中广泛分布，包括响应ABA、MeJA、生长素（auxin）、赤霉素（GA）和水杨酸（SA）的元件（Fig. 4B）。其中，ABA响应元件ABRE数量最多（95个）且分布广泛。除OfJAZ20和OfJAZ13外，所有OfJAZ基因均含有1–10个ABRE，Cluster I（OfJAZ4和8）、IV（OfJAZ7、9、14、15和17）及V（OfJAZ1、6和23）成员含有5个及以上（Fig. 4B）。MeJA响应基序也高度富集，主要为CGTCA-基序（33个）和TGACG-基序（33个），二者常在同一启动子中成对出现（Fig. 4B）。值得注意的是，Cluster IV的OfJAZ基因（OfJAZ3、7、9、14、15和17）含有最多数量的MeJA响应基序（Fig. 4B）。这些发现表明，OfJAZ启动子富含多样的激素响应元件，提示其转录可能受激素信号网络的协同调控。
3.6 JAZ基因家族种内及种间共线性分析
基因组染色体定位分析显示，22个OfJAZ基因在桂花基因组14条染色体上呈不均匀分布（Figure S1; Fig. 5A）。7号和14号染色体携带的OfJAZ基因最多（各3个），3、13、16和19号染色体各含2个，其余染色体（1、2、5、6、8、9、10和23号）各含1个。
Figure 5
基因复制是基因家族扩张的核心机制，通过促进功能分化助力植物适应。在OfJAZ家族中检测到10对片段复制（segmental duplication）基因对（Fig. 5A）。此外，种间共线性分析揭示了AtJAZ与OfJAZ基因间存在8对保守的片段复制对（Fig. 5B）。所有18对片段复制基因对的Ka/Ks值均小于1（Table 2），提示JAZ家族主要受纯化选择（purifying selection）驱动进化。
3.7 OfJAZ基因的单倍型多样性
研究对OfJAZ基因家族在季节组和栽培品种组中的单倍型频率进行了分析，仅保留频率≥2的单倍型。当样本按“秋桂（autumn）”和“四季桂（seasons）”分组时，20个OfJAZ基因（包括Cluster I的OfJAZ2、4、8、10、16和20，Cluster IV的OfJAZ3、7、9、14、15和17，以及Cluster V的OfJAZ1、5、6、11–13、18和22）表现出明显的单倍型组成差异（Fig. 6A）。总体而言，秋桂组的单倍型多样性更高，而四季桂组的单倍型更倾向于集中为少数优势单倍型（Fig. 6A）。例如，OfJAZ1在秋桂组以低频单倍型（归为“others”）为主，而在四季桂组中高频单倍型（如Hap相关类型）比例显著增加（Fig. 6A）。此外，大多数OfJAZ基因由1–2个高频优势单倍型主导，仅少数基因在多个单倍型间分布较为均匀（Fig. 6A）。值得注意的是，对于OfJAZ14，单一单倍型（绿色标记）在四季桂组中占比超过50%。
Figure 6
按栽培品种（丹桂、金桂、四季桂和银桂）分组时，15个OfJAZ基因（包括Cluster I的OfJAZ2、4、10、16和20，Cluster IV的OfJAZ3、7、9、14、15和17，以及Cluster V的OfJAZ6、11、13和18）表现出明显的品种特异性单倍型模式（Fig. 6B）。优势单倍型在不同品种间差异显著（Fig. 6B）。例如，OfJAZ14在丹桂中主要为Hap25，而在金桂、四季桂和银桂中则以Hap24和Hap26为主。就单倍型多样性而言，除OfJAZ3、OfJAZ14和OfJAZ18外，银桂对大多数OfJAZ基因表现出最高的多样性（Fig. 6B）。相比之下，丹桂对大多数基因多样性最低，但OfJAZ7和OfJAZ18例外（Fig. 6B）。有趣的是，Cluster IV的OfJAZ基因（OfJAZ3、7和14）及Cluster V的OfJAZ18在各品种间共享保守单倍型（Fig. 6A,B），提示这些单倍型可能与OfJAZ基因的核心生物学功能相关。
3.8 OfJAZ基因的甲基化分析
研究对OfJAZ基因在CpG、CHH和CHG三种序列环境下的DNA甲基化水平进行了分析（Fig. 7）。CpG甲基化分析将22个OfJAZ基因分为三类。低CpG甲基化的Cluster II包含7个基因，包括Cluster IV的6个成员（OfJAZ3、7、9、14、15和17）及Cluster V的1个成员（OfJAZ12）（Fig. 7A）。基于CHH和CHG甲基化的聚类也识别出三类（Fig. 7B,C）。低CHH甲基化的Cluster III包含15个基因，包括Cluster IV的6个成员（OfJAZ3、7、9、14、15和17）、Cluster V的5个成员（OfJAZ1、5、12、19和23）、Cluster II的1个成员（OfJAZ21）及Cluster I的3个成员（OfJAZ2、4和16）（Fig. 7B）。CHG甲基化的Cluster II包含16个基因（Fig. 7C），与低CHH的Cluster III largely 重叠，并包含Cluster V的6个成员（OfJAZ1、11–13、19和23）（Fig. 7B,C）。
Figure 7
综合三种甲基化环境，低甲基化的Cluster I包含7个基因：Cluster IV的6个成员（OfJAZ3、7、9、14、15和17）及Cluster V的1个成员（OfJAZ1）（Fig. 7D）。值得注意的是，若干基因（OfJAZ3、7、9和15）的总体甲基化水平极低，接近零（Fig. 7D）。这些结果表明，OfJAZ基因表现出 distinct 的甲基化聚类模式，低甲基化基因可能具有更高的转录可塑性和功能响应性。
3.9 OfJAZ家族成员的表达谱分析
3.9.1 OfJAZ的组织特异性及花瓣发育阶段表达
为探究OfJAZ在不同组织及花瓣发育过程中的潜在作用，研究采用qRT-PCR检测了其表达情况（Fig. 8）。大多数OfJAZ基因在各组织中呈组成型表达（Fig. 8A）。除OfJAZ16外，大多数基因在茎中表达水平最高（Fig. 8A）。在花瓣开放与衰老过程中，观察到 distinct 的表达模式（Fig. 8B）。OfJAZ16、OfJAZ21和OfJAZ22表达下调，而OfJAZ2、OfJAZ3、OfJAZ7、OfJAZ8、OfJAZ12、OfJAZ15和OfJAZ17表达上调（Fig. 8B）。值得注意的是，在S6阶段（花瓣脱落期），OfJAZ3、OfJAZ7、OfJAZ8、OfJAZ15和OfJAZ17的表达水平较S1阶段显著上调，倍数变化介于1.62至13.53之间（Fig. 8B），提示它们可能参与调控花瓣衰老。
Figure 8
3.9.2 OfJAZ响应非生物胁迫的表达谱
为探究OfJAZ在非生物胁迫适应中的参与情况，研究对桂花叶片在低温、盐和干旱处理下的表达进行了qRT-PCR定量。在低温与干旱胁迫下，OfJAZ2、OfJAZ8、OfJAZ12和OfJAZ15–17表达下调，峰值出现在0小时（Fig. 9A,B）。相反，OfJAZ21和OfJAZ22表现出先上调后下调的模式，在12或24小时达到最大表达（Fig. 9A,B）。OfJAZ3和OfJAZ7在低温和干旱胁迫下表现出差异响应；例如，OfJAZ7在低温胁迫下短暂上调后下调，而在干旱胁迫下持续下调（Fig. 9A,B）。在盐胁迫下，OfJAZ15和OfJAZ17持续下调，而OfJAZ7、OfJAZ8、OfJAZ12、OfJAZ16、OfJAZ21和OfJAZ22则短暂上调，在3小时达到峰值，相对0小时的倍数变化分别为1.27、1.65、1.31、1.07、30.08和3.80倍（Fig. 9C）。
Figure 9
3.9.3 外源激素处理下OfJAZ的表达谱
为探究OfJAZ对外源激素的响应，研究在ABA、MeJA和乙烯利（ethephon）处理后进行了qRT-PCR定量。ABA处理后，包括OfJAZ7、OfJAZ8、OfJAZ12、OfJAZ15–17、OfJAZ21和OfJAZ22在内的大多数基因下调（Fig. 10A）。相反，OfJAZ2和OfJAZ3呈现动态响应：先下调，后上调，再下调，在24小时达到峰值（Fig. 10A）。MeJA处理后，OfJAZ基因表现出多样响应（Fig. 10B）。具体而言，7个基因（OfJAZ2、3、7、12、15、16和22）被强烈上调，表达增幅超过10倍。相反，OfJAZ8和OfJAZ17下调，而OfJAZ21先上调后下调，在12小时达到峰值。乙烯利处理后，大多数OfJAZ基因（OfJAZ2、3、7、12和15–17）下调，而OfJAZ8、OfJAZ21和OfJAZ22呈现瞬时表达模式，先上调后下调（Fig. 10C）。
Figure 10
3.10 Y2H与亚细胞定位实验
IV-OfJAZ基因具有保守的结构特征、富集的MeJA响应顺式元件、低甲基化水平，并在花瓣衰老期间显著上调（Figs. 3, 4, 6–8）。WGCNA分析进一步表明，OfJAZ3和OfJAZ17与OfEIL7强相关（Fig. 1H）。因此，选择OfJAZ3、OfJAZ17和OfEIL7进行转基因烟草和桂花的验证实验，以及Y2H互作实验。共表达OfEIL7与OfJAZ3或OfJAZ17的重组酵母菌株在SD/-Leu/-Trp平板及含或不含X-α-gal的SD/-Ade/-His/-Leu/-Trp培养基上均能 robust 生长（Fig. 11A），证实OfEIL7与OfJAZ3及OfJAZ17均存在直接互作。
Figure 11
亚细胞定位分析显示，eYFP标记的OfJAZ3和OfJAZ17主要定位于细胞核（Fig. 11B），支持其作为核内调控因子参与转录网络的功能。
3.11 转基因烟草与桂花的表型及生理分析
将烟草叶片分别转化OfJAZ3、OfJAZ17或对照载体（121-eGFP），并用水、MeJA、乙烯、STS（硫代硫酸钠，乙烯作用抑制剂）或DIECA（二乙基二硫代氨基甲酸，茉莉酸生物合成抑制剂）处理。MeJA和乙烯处理后，OfJAZ3-和OfJAZ17-转基因植株及121-eGFP对照的叶绿素含量、CAT（过氧化氢酶）活性和POD（过氧化物酶）活性均降低，而EL（电解质渗漏）和MDA（丙二醛）水平升高（Fig. 12A–D,G,H）。相反，DIECA和STS处理后，EL和MDA水平降低，而叶绿素含量、CAT活性和POD活性较对照（CK）升高（Fig. 12D–H）。值得注意的是，OfJAZ3-和OfJAZ17-转基因植株的叶片较121-eGFP对照呈现更绿的表型（Fig. 12A–C）。与对照相比，这些转基因植株表现出更高的叶绿素含量、CAT活性和POD活性，以及更低的EL和MDA水平（Fig. 12D）。
Figure 12
在桂花花瓣中瞬时过表达OfJAZ3和OfJAZ17，结果显示转基因花瓣的衰老症状较对照显著减轻（P<0.05）（Fig. 13A）。NBT染色和EL测定进一步支持了这一延迟衰老的表型，显示转基因花瓣中ROS积累和膜损伤更低（Fig. 13B,C）。此外，OfEIL7、OfWRKY57（LYG004259）和OfWRKY33（LYG010683）的转录水平在OfJAZ3-和OfJAZ17-过表达花瓣中较对照显著降低（P<0.05）（Fig. 13D–F）。这些发现表明，OfJAZ3和OfJAZ17可能在JA-乙烯信号交叉调控下延缓叶片衰老。
Figure 13
四、此文总结
本研究旨在阐明桂花（Osmanthus fragrans）花瓣衰老的分子调控机制，重点解析茉莉酸（JA）信号通路核心抑制因子JAZ蛋白家族在此过程中的功能。研究团队通过RNA-seq与加权基因共表达网络分析（WGCNA），从六个花发育阶段中鉴定出23个OfJAZ基因，并发现IV-OfJAZs亚家族成员（OfJAZ3、OfJAZ7、OfJAZ15和OfJAZ17）在花瓣衰老后期显著上调。这些基因富含茉莉酸甲酯（MeJA）响应顺式作用元件且DNA甲基化水平较低，其表达受MeJA诱导而被乙烯抑制。进一步的酵母双杂交与转基因烟草实验证实，OfJAZ3与OfJAZ17可与乙烯信号关键因子OfEIL7发生蛋白互作，通过JA-乙烯激素交叉调控延缓叶片衰老。该研究系统刻画了桂花OfJAZ基因家族的特征与表达模式，为通过分子育种手段延长花期、提升桂花观赏品质及经济价值提供了重要的理论依据。
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