黄瓜WD40重复蛋白全基因组鉴定揭示其在胁迫响应与单性结实中的功能作用

《Scientific Reports》：Genome-wide characterization of WD40 repeat proteins in cucumber reveals their functional roles in stress response and parthenocarpy

本研究针对黄瓜WD40重复蛋白家族功能未知的问题，系统鉴定了142个CsWDR基因，通过系统进化分析和表达谱验证，发现CsWDR36基因在单性结实和胁迫响应中发挥关键作用，为黄瓜抗逆育种和果实发育机制研究提供新靶点。

　　

在植物王国中，有一类名为WD40重复蛋白的分子"万能胶"，它们通过其特有的β-螺旋桨结构，在细胞内部搭建起复杂的蛋白质相互作用网络。这些蛋白在植物的生长发育、胁迫响应以及次生代谢等关键生物学过程中扮演着重要角色。黄瓜作为世界范围内重要的蔬菜作物，不仅具有经济价值，更是研究果实发育和性别决定的模式植物。其中，单性结实（即未经授粉就能形成果实）这一性状能够显著提高黄瓜产量和果实品质，特别是在不利于授粉的环境条件下。然而，目前对黄瓜中WD40蛋白家族的系统性研究仍显不足，尤其是其在单性结实和胁迫响应中的具体功能机制尚不明确。

为了解决这一科学问题，由张婷、王雪燕等研究人员组成的团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。他们通过全基因组尺度系统鉴定了黄瓜WD40重复蛋白家族成员，并深入解析了其在该作物胁迫响应和单性结实中的功能作用。

研究团队主要运用了隐马尔可夫模型进行全基因组筛选、系统进化分析、基因本体富集分析、RNA-seq表达谱分析以及实时定量PCR验证等关键技术方法。实验材料包括单性结实品系EC1和非单性结实品系8419s-1的各类组织样本，以及经过不同激素处理的幼苗材料。

基因组鉴定与特征分析

通过隐马尔可夫模型对黄瓜基因组进行系统性搜索，研究团队成功鉴定出142个CsWDR基因，其中10个为首次发现。这些基因编码的蛋白质长度差异显著，从190到2973个氨基酸不等，所含WD40结构域数量也从1到9个不等。与既往研究相比，本研究采用了更为严格的鉴定标准，确保了结果的准确性。

染色体分布特征

染色体定位分析显示，CsWDR基因在黄瓜7条染色体上呈不均匀分布。3号染色体携带的CsWDR基因数量最多（32个，占22.5%），而7号染色体上数量最少（12个，占8.4%）。特别值得注意的是，4号染色体的两端区域呈现出明显的基因富集现象，这可能暗示着该区域在进化过程中发生了基因重复事件。

蛋白分类与结构多样性

根据结构域组成，研究人员将142个CsWDR蛋白划分为12个亚家族。其中，99个仅含有WD40结构域的蛋白被归为A亚家族，而其他蛋白则含有UTPB、锌指、COPI、F-BOX等多种附加结构域。这种结构多样性提示CsWDR蛋白可能具有功能专化特性，能够参与不同的生物学过程。

系统进化与功能预测

通过构建包含142个CsWDR蛋白和12个已知功能WD40蛋白的系统进化树，研究人员将这些蛋白划分为7个主要簇。有趣的是，功能相似的蛋白倾向于聚集在同一簇中，例如与干旱胁迫响应相关的AtRACK1和AtARCA蛋白共同位于簇VIIb。这一发现为通过同源基因比较预测CsWDR蛋白功能提供了重要线索。

基因本体富集分析

基因本体分析显示，绝大多数CsWDR基因参与初级代谢过程（85.21%）和细胞代谢过程（70.42%），近一半（47.18%）与刺激响应相关，包括重点研究的CsWDR36基因。在分子功能层面，80.98%的CsWDR蛋白具有蛋白结合活性，这与其作为支架蛋白促进蛋白质相互作用的功能一致。亚细胞定位预测表明，超过86%的CsWDR蛋白定位于细胞核和细胞质中。

表达谱分析

基于RNA-seq数据的表达分析揭示了CsWDR基因在组织特异性、胁迫响应和果实发育过程中的差异表达模式。根据表达特征，这些基因可被分为多个功能组：有些在花器官中高表达，有些在根或卷须中特异性表达，还有些在特定温度或光周期条件下表达量显著变化。在果实发育过程中，不同CsWDR基因的表达高峰出现在不同阶段，提示它们可能分别参与细胞分裂、果实膨大和成熟等过程。

CsWDR36基因的深入解析

CsWDR36（Csa2M070230）因其位于已报道的单性结实相关QTL区间内而受到特别关注。研究人员通过克隆获得了该基因的两个转录本：CsWDR36-1（2676 bp）和CsWDR36-2（1038 bp）。序列分析显示，CsWDR36-1包含9个WD40结构域和一个Utp21结构域，而CsWDR36-2仅含有Utp21结构域，这种差异可能源于可变剪切事件。

组织特异性表达分析表明，两个转录本在花器官中表达量最高，尤其是在雄花中。在果实发育早期，它们的表达量在开花后显著上升，至1天达到峰值后逐渐下降，这一表达模式提示CsWDR36可能参与果实坐果和早期发育的调控。值得注意的是，激素处理实验并未引起CsWDR36表达的显著变化，表明其可能通过非激素途径发挥作用。

讨论与结论

本研究通过全基因组尺度系统分析了黄瓜WD40重复蛋白家族，不仅修正了既往研究中的基因数量偏差，还为该家族的功能研究提供了新视角。特别是对CsWDR36的深入解析，为理解黄瓜单性结实的分子机制提供了重要线索。

系统进化分析表明，CsWDR36与甘蓝型油菜中的BnSWD1和小麦中的TaWD40D亲缘关系较近，后两者均参与盐胁迫响应。虽然本研究中CsWDR36对ABA处理不敏感，但其可能通过ABA非依赖途径参与胁迫响应，这有待进一步验证。

两个转录本的存在揭示了CsWDR36基因调控的复杂性。CsWDR36-1含有9个WD40结构域，偏离了典型的7叶β-螺旋桨结构，这可能是其产生较短转录本CsWDR36-2的结构基础。这种通过可变剪切产生不同异构体的现象在其他物种中也有报道，反映了WD40蛋白家族功能调控的灵活性。

表达谱分析显示，CsWDR36在花器官和发育中的果实中高表达，且不受常见植物激素的诱导，表明它可能通过不同于传统激素信号通路的机制调控果实发育。在-1 dpa出现的异常高表达峰值得进一步探究，可能暗示该基因在花器官发育晚期具有特殊功能。

综上所述，本研究不仅提供了黄瓜WD40重复蛋白家族的全景图谱，还深入解析了CsWDR36在单性结实和胁迫响应中的潜在功能。这些发现为通过基因工程手段改良黄瓜农艺性状提供了候选基因，也为理解WD40蛋白在植物发育和逆境适应中的普遍规律提供了重要参考。未来研究可聚焦于CsWDR36的具体作用机制及其在不同环境条件下的调控网络，以期充分发挥其应用潜力。