巨桉纤维素合酶超家族（CesA/Csls）全基因组鉴定与表达分析揭示次生壁合成关键基因

本期推荐一篇关于巨桉纤维素合成机制的重要研究。该研究通过生物信息学方法首次在巨桉（Eucalyptus grandis）中全基因组鉴定CesA/Csls基因家族（含62个成员），系统解析其进化关系、启动子顺式元件及组织特异性表达模式，发现EgCesA4/7/8在木质部高表达，提示其参与次生壁加厚（ lignification）过程，为林木遗传改良和纤维素生物合成研究提供理论依据。

　　

1 引言

植物细胞壁是细胞形态构建和生长发育的关键结构，其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素。纤维素合酶超家族由纤维素合酶（CesA）和类纤维素合酶（Csl）两大类组成，分别催化纤维素和部分半纤维素的生物合成。尽管该基因家族在拟南芥、水稻等模式植物中已有深入研究，但在重要经济树种巨桉中尚未被系统鉴定。本研究通过生物信息学方法首次对巨桉CesA/Csls家族进行全基因组分析，为解析其细胞壁合成机制提供基础。

2 材料与方法

研究利用TAIR数据库中的拟南芥CesA/Csls蛋白序列作为查询，通过BlastP、HMM隐马尔可夫模型和TBtools软件在巨桉基因组中进行同源筛选，最终鉴定出62个家族成员。采用ProtParam工具分析蛋白理化性质，MEGA软件构建系统发育树，MEME程序预测保守 motifs，PlantCare数据库分析启动子顺式元件，并通过RNA-Seq数据解析基因表达模式。

3 结果与分析

3.1 基因家族鉴定与理化特性

共鉴定出21个CesA和41个Csl基因，分别命名为EgCesA1a–1e、EgCesA3a–3c、EgCesA6a–6i、EgCesA4/7/8/10以及EgCslB/C/D/E/G系列成员。蛋白长度介于166–1138个氨基酸之间，等电点多数大于7，表明家族以碱性氨基酸为主。亲水性分析显示40个基因为亲水性，EgCslG8亲水性最高（GRAVY=-0.423），EgCesA1c疏水性最强（GRAVY=0.599）。

3.2 系统发育分析

基于巨桉、拟南芥、毛果杨和小立碗藓的210条蛋白序列构建系统发育树，将CesA/Csls分为7个亚家族（CesA、CslA/B/C/D/E/G）。巨桉CesA/Csls与毛果杨亲缘关系最近，暗示林木物种在进化过程中的功能保守性。

3.3 基因结构与保守域

保守motif分析显示，EgCesA亚家族均包含Motif4和Motif8，EgCslD成员包含全部10个motif。外显子数量介于3–14之间，其中EgCslD亚家族仅含3–6个外显子，而多数EgCesA成员外显子数超过10个，反映不同亚家族的功能分化。

3.4 染色体分布与共线性分析

55个基因分布于11条染色体上，7个位于scaffold。染色体5、6、8基因密度最高（8–10个/染色体）。共鉴定出7个串联重复基因簇和6个片段重复对（如EgCslA9b–EgCslA2）。与拟南芥和毛果杨的共线性比较分别发现26和53对同源基因，表明片段重复是家族扩张的主要动力。

3.5 启动子顺式元件分析

启动子区包含26类响应元件，分为激素响应、MYB结合、光响应、生长发育和胁迫响应五大类。EgCslG6同时包含光响应、激素响应、低温响应和MYB结合元件，提示其参与多重胁迫响应。转录因子结合位点预测显示BBR-BPC结合位点最丰富，ERF和Dof位点分别在EgCesA4和EgCslE1c启动子中高频出现。

3.6 组织特异性表达

RNA-Seq分析显示，EgCesA4、EgCesA7和EgCesA8在6月、3年和6年生树木木质部中高表达，且在次生生长的第7、9节间显著上调，表明其专一性参与次生壁加厚。EgCesA1a、EgCesA3b、EgCesA3c、EgCesA6b和EgCesA6i在韧皮部、根和茎尖高表达，暗示其在初生壁合成中发挥作用。

3.7 胁迫与激素响应表达

EgCesA1a和EgCslA2在硼/磷缺乏、盐胁迫、SA和MeJA处理下持续高表达。EgCslG3/G4在营养缺乏后期表达上升，而EgCesA1c/4呈短暂诱导模式。SA和MeJA处理显著诱导EgCesA3b/6b/1a和EgCslG1表达，EgCslD4/G2在盐胁迫和激素处理中沉默。

3.8 蛋白三维结构预测

同源建模显示同一亚家族蛋白结构高度保守。EgCesA4/7/8复合体模型ipTM评分0.61，提示三者可能形成纤维素合酶复合体（CSC），其内部空腔结构可能用于结合底物UDP-葡萄糖。与毛果杨PttCesA8和拟南芥AtCesA8结构比对显示关键功能域（PCR、CSR、FxVTxK motif）高度保守。

4 讨论

CesA/Csls作为GT2家族糖基转移酶，在植物碳分配和细胞壁构建中发挥核心作用。巨桉CesA/Csls家族扩张可能与林木次生生长需求相关。EgCesA4/7/8在木质部特异性高表达，与拟南芥中次生壁CesA功能保守，提示其构成CSC催化纤维素合成。启动子中丰富的MYB和BBR-BPC结合位点表明转录调控在细胞壁合成中的关键作用。蛋白结构分析为理性设计纤维素合成酶提供了分子基础。

5 结论

本研究首次在巨桉中鉴定出62个CesA/Csls基因，系统揭示了其进化关系、表达特性和调控机制，明确了EgCesA4/7/8在次生壁合成中的核心作用，为林木遗传改良和纤维素生物技术应用提供了基因资源和理论支撑。