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为探究莲（Nelumbo nucifera）中钙依赖蛋白激酶（CPK）基因的奥秘，研究人员开展了全基因组水平的研究。他们系统鉴定分析了 CPK 基因家族，发现其成员结构、分布特征，且该基因在不同组织和胁迫下表达有差异，为莲的分子育种研究奠定基础。
在植物的奇妙世界里，莲（Nelumbo nucifera）作为一种古老的水生植物，不仅具有极高的观赏价值，还是重要的药食两用植物。它在适应水生和陆生环境的过程中，发展出了独特的生存策略。而在植物应对环境变化的机制中，钙（Ca
2+）信号传导起着关键作用，钙依赖蛋白激酶（Calcium-Dependent Protein Kinases，CPK）作为其中的关键角色，能感知并响应钙信号，调控植物的生长、发育和抗逆过程 。然而，莲中 CPK 基因的具体情况却一直是个未解之谜。为了揭开这层面纱，深入了解莲的生长和适应机制，来自武汉轻工大学生命科学与技术学院等机构的研究人员开展了一项关于莲 CPK 基因家族的全基因组研究。这项研究成果发表在《BMC Genomics》上，为后续莲的研究和应用提供了重要的理论基础。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，从 Pfam 数据库获取蛋白激酶结构域（PF00069）和 EF 手结构域（PF13499）的隐马尔可夫模型（HMM），对莲基因组数据进行搜索，鉴定 CPK 基因成员；其次，利用多种生物信息学工具，如 Gene Structure Display Server（GSDS）、MEME、MEGA 7.0 等，分析基因结构、保守基序和系统发育关系；再者，通过 RNA 测序（RNA-Seq）和实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）技术，探究基因的表达模式；最后，运用全基因组重测序数据进行选择分析。
研究结果
- CPK 基因成员的鉴定：通过特定结构域搜索、筛选和验证，在莲基因组中成功鉴定出 27 个 CPK 基因，命名为 NnCPK1 - NnCPK27。这些基因编码的蛋白长度、分子量和等电点各不相同，N 端的豆蔻酰化和棕榈酰化位点也存在差异，影响其膜定位。
- 基因分类与结构分析：基于基因结构和系统发育树分析，27 个 NnCPK 基因被分为五个亚家族。同一亚家族的基因大多具有相似的外显子 - 内含子结构，成员间的保守基序也具有相似性，这暗示着基因结构与功能的相关性。
- 启动子顺式调控元件分析：对 NnCPK 基因启动子区域分析发现，存在多种与激素响应、生长和胁迫响应相关的顺式调控元件，如参与茉莉酸（MeJA）响应的 CGTCA 基序、生长素响应的 AuxRR 核心等，表明这些元件在调控基因表达中发挥重要作用。
- 进化与共线性分析：CPK 基因在莲染色体上分布不均，8 号染色体无 CPK 基因，2 号染色体最多。基因复制分析显示，存在 11 对重复基因，其中 9 对为片段重复，2 对为串联重复，且所有重复基因对的 Ka/Ks 比值均小于 1，表明经历了纯化选择，片段重复在基因家族扩增中起关键作用。与其他物种的共线性分析发现，莲与水稻、拟南芥、菠萝和葡萄的 CPK 基因存在同源关系，有助于预测莲 CPK 基因的功能。
- 不同种群的选择分析：对不同莲种群的选择分析表明，NnCPK6、NnCPK18 等基因在不同种群中被选择，暗示它们可能参与莲的生态适应过程，但功能还需进一步验证。
- 表达模式分析：RNA - Seq 数据显示，NnCPK 基因在不同组织中呈现特异性表达，如 NnCPK4 在叶片和根茎节间表达，NnCPK5 在根茎顶端分生组织和伸长区表达。qRT-PCR 结果表明，在盐胁迫和低温胁迫下，部分基因表达上调，如 NnCPK18 对 NaCl 处理响应强烈，NnCPK17 在低温 24 h 时表达量最高，说明这些基因在莲应对非生物胁迫中发挥作用。
研究结论与讨论
本研究首次在全基因组水平对莲 CPK 基因家族进行了全面分析。研究发现，莲 CPK 基因家族成员在染色体上分布不均匀，可分为五个亚家族，其结构和进化具有一定特点。通过与其他物种的比较分析，进一步了解了莲 CPK 基因的起源和功能。不同种群中的选择分析以及基因在不同组织和胁迫下的表达模式，为探究莲的生态适应和生长发育调控机制提供了重要线索。尽管研究取得了重要进展，但关于莲 CPK 基因的具体功能，如它们在信号转导通路中的详细作用、与其他蛋白的相互作用机制等，仍有待进一步研究。未来可通过基因编辑等技术深入探究这些基因的功能，为莲的遗传改良和分子育种提供更坚实的理论依据，助力莲在农业、园艺等领域的更好应用。
