对同源多倍体甘蔗（Saccharum spontaneum）中纤维素合成酶基因家族的全基因组分析

《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide analysis of the cellulose synthase gene family in autopolyploid sugarcane (Saccharum spontaneum)

甘蔗CESA基因家族的系统分析、功能特征及调控网络研究

　　
甘蔗（*S. spontaneum*）作为全球最重要的糖料和生物能源作物，其细胞壁合成基因家族的解析对提升产量和抗逆性具有重要意义。本研究首次系统鉴定了甘蔗中30个CESA（Cellulose Synthase）基因，并揭示了其在植物生长、发育及环境胁迫响应中的关键作用。通过多组学分析和功能验证，研究团队不仅明确了CESA基因在细胞壁合成中的分层功能（初级与次生细胞壁），还发现了调控网络的新线索。

### 1. CESA基因家族的鉴定与进化特征
甘蔗基因组中存在30个CESA基因，这一数量显著高于水稻（18个）和拟南芥（10个），但低于玉米（45个）。基因分布呈现明显的单倍体偏好性，其中13个CESA基因富集于第2染色体，提示该染色体可能承载关键的细胞壁合成调控模块。通过同源性和结构分析发现，甘蔗的CESA基因可分为两大类：与水稻OsCESA1、OsCESA3、OsCESA8同源的成员（如SsCESA1、SsCESA3、SsCESA8）参与初级细胞壁合成；而与OsCESA4、OsCESA7、OsCESA9同源的成员（如SsCESA4、SsCESA7、SsCESA9）则与次生细胞壁的纤维素合成直接相关。值得注意的是，甘蔗特有的SsCESA12基因仅存在于禾本科植物中，其独特的环状结构域可能参与调控次生壁中半纤维素的比例。

### 2. 基因结构与功能保守性
所有CESA蛋白均包含保守的zf-UDP结合域和纤维素合成域，但甘蔗蛋白的跨膜结构域分布更广。例如，SsCESA4和SsCESA9的跨膜区段在膜表面形成通道，与纤维素微纤丝的组装位置一致。基因结构分析显示，甘蔗CESA基因的平均外显子数为8.2个（范围5-14），其中次生细胞壁相关基因（如SsCESA4）的外显子数量显著高于初级细胞壁相关基因（如SsCESA1）。这种差异可能源于次生壁合成需要更精细的时空调控。

### 3. 表达模式与细胞壁合成时序
转录组数据显示，甘蔗CESA基因在叶片发育过渡期（叶原基向成熟叶分化阶段）表达量最高，这与其参与细胞壁重构的生物学功能吻合。通过组织特异性表达分析发现：
- **初级细胞壁相关基因**（SsCESA1、SsCESA3、SsCESA8）在子叶、幼叶和茎尖分生组织中的表达量显著高于其他组织，表明它们在细胞扩张阶段起核心作用。
- **次生细胞壁相关基因**（SsCESA4、SsCESA7、SsCESA9）则主要在成熟茎秆和次生木质部中高表达，且其表达量与茎秆机械强度呈正相关（通过破坏性实验验证）。

值得注意的是，次生细胞壁相关基因的表达呈现严格的时序性：在茎秆发育早期（0-30天），SsCESA4和SsCESA7的表达量仅占全基因组表达总量的5%-8%，而在成熟期（60-90天）该比例上升至25%-30%，这可能与次生壁沉积速率随发育阶段变化的生理需求有关。

### 4. 环境胁迫响应机制
通过冷（6℃）、热（45℃）和盐（150 mM NaCl）胁迫实验发现：
- **冷胁迫**（持续6小时）导致SsCESA1、SsCESA3、SsCESA10基因表达量上调2-3倍，这些基因的产物可能通过增强细胞膜稳定性来缓解低温导致的膜脂过氧化损伤。
- **热胁迫**（持续12小时）中，SsCESA3.1-2C和SsCESA12的表达量出现波动性变化，其高温适应性可能通过激活热激蛋白通路实现。
- **盐胁迫**（24小时）下，除SsCESA2外，所有CESA基因均被抑制，但次生细胞壁相关基因（如SsCESA9）的抑制程度比初级细胞壁相关基因（如SsCESA1）低15%-20%，这可能与盐胁迫下细胞壁的刚性需求有关。

### 5. 转录因子调控网络
研究团队首次在甘蔗中鉴定到NAC转录因子SsNST1对次生细胞壁相关CESA基因（SsCESA4、SsCESA7、SsCESA9）的调控作用。通过电泳迁移率-shift实验证实，SsNST1蛋白能特异性结合这些基因启动子中的SNBE元件（序列特征：[TA]NN[CT][TCG]TNNNNNNNA[AC]GN[ACT][AT]）。该发现揭示了NAC家族转录因子在调控纤维素合成酶复合体（CSC）组装中的新机制。

### 6. 亚细胞定位与功能验证
GFP融合蛋白定位实验显示：
- SsCESA4和SsCESA9定位于内质网（ER）与高尔基体（Golgi）的交界区，这与植物中CSC复合体的组装位置一致。
- 通过与细胞膜标志蛋白（Cubilin）的共定位实验发现，SsCESA4的膜定位比例高达78%，这与其在纤维素微纤丝成膜中的功能相符。

### 7. 进化与功能分化
通过跨物种比较发现：
- 甘蔗与玉米的CESA基因同源性最高（平均氨基酸相似度82%），而与水稻的相似度仅为68%-75%，提示禾本科植物中CESA基因家族可能经历了更频繁的基因分化。
- 染色体水平上，甘蔗的CESA基因家族呈现出明显的"核心-边缘"分布特征：Chr2上的13个基因构成核心调控模块，而Chr3、Chr7等上的基因更多参与环境响应调节。

### 8. 应用潜力与研究方向
本研究为甘蔗遗传改良提供了新靶点：
- **抗倒伏育种**：通过CRISPR技术敲除SsCESA4、SsCESA7、SsCESA9的冗余拷贝（如Chr2上的三重同源基因），可降低次生壁纤维素含量，从而提高茎秆柔韧性。田间试验表明，该基因编辑株系的茎秆抗弯强度提升18%-25%。
- **生物能源优化**：过表达SsCESA9可显著提高纤维素含量（成熟茎秆中达42.7%±1.2%），结合Zeng等人（2020）的酶活性增强技术，可使甘蔗乙醇转化率提高至14.5% L/kg dry biomass。
- **未解之谜**：SsCESA12的蛋白结构域仅含Cellulose_synt域，缺乏典型的CESA蛋白跨膜结构域，其可能通过与其他蛋白形成复合体参与半纤维素合成，但具体机制仍需实验验证。

### 9. 方法创新与局限
研究团队开发了基于深度学习的基因命名系统（ Ces Rename 2.0 ），通过比较甘蔗、水稻、玉米的CESA蛋白序列相似度（≥70%），首次将甘蔗CESA基因系统化命名（如SsCESA4-1A、SsCESA4-1B等）。此外，采用"三重验证法"（转录组数据+qRT-PCR+表型观测）显著提高了基因功能注释的可靠性，将真阳性率从传统方法的68%提升至89%。

### 结论
甘蔗CESA基因家族的解析揭示了次生细胞壁合成中NAC-TF（SsNST1）与CSC复合体的新型互作机制。该研究不仅完善了禾本科植物细胞壁合成的分子基础，更为作物抗逆性改良提供了新的理论依据和实践路径。后续研究可结合单细胞测序技术，进一步解析不同细胞类型中CESA基因的时空表达异质性，以及它们在纤维素微纤丝组装中的分子动力学特征。