三种咖啡物种（C. canephora、C. eugenioides和C. arabica）AP2/ERF转录因子家族的比较基因组学与进化解析

本研究针对咖啡作物面临的气候变化胁迫问题，通过全基因组分析揭示了AP2/ERF转录因子家族在三种咖啡物种（C. arabica、C. canephora和C. eugenioides）中的进化动态。研究人员鉴定出453个AP2/ERF基因，发现亚群IX（抗病相关）和III（耐温相关）存在显著的谱系特异性扩张，为培育抗逆咖啡品种提供了关键靶点。该成果发表于《BMC Genomics》，为理解咖啡适应性进化机制奠定基础。

　　

咖啡作为全球最重要的经济作物之一，正面临气候变化带来的严峻挑战。尤其是占全球产量60%的阿拉比卡咖啡（Coffea arabica），其适宜生长温度范围狭窄（18-21°C），对高温和病害极为敏感。更棘手的是，这种四倍体作物的遗传多样性远低于其二倍体祖先（C. canephora和C. eugenioides），限制了抗逆品种的选育。在这一背景下，AP2/ERF转录因子家族因其在植物逆境响应中的核心作用成为研究焦点——该家族通过调控下游靶基因表达，参与干旱、低温、病原体防御等多种胁迫应答。

美国农业部农业研究局（USDA-ARS）的Sunchung Park团队在《BMC Genomics》发表的研究，首次对三种咖啡物种的AP2/ERF家族进行了系统性比较分析。研究人员结合HMMER结构域预测、染色体共线性分析和Ka/Ks选择压力计算等方法，揭示了该基因家族的扩张机制与功能分化规律。

关键技术包括：（1）基于AP2结构域（PF00847）的HMMER全基因组扫描；（2）跨物种染色体共线性比较；（3）OrthoFinder构建八种植物（含五种菊类分支物种）的直系同源关系；（4）RNA-seq表达谱分析。样本来源于NCBI数据库的三种咖啡基因组（C. arabica GCF_003713225.1、C. eugenioides GCF_003713205.1、C. canephora GCA_900059795.1）及公共转录组数据。

基因家族鉴定与分类

研究鉴定出453个AP2/ERF基因（C. arabica 217个、C. eugenioides 133个、C. canephora 103个），占各物种编码基因的0.46-0.49%。通过邻接法系统发育分析将其分为AP2（含双AP2结构域）、ERF（单AP2结构域）、RAV（AP2+B3结构域）和Soloist四个亚家族。值得注意的是，15个单AP2结构域基因因系统发育位置被重新归类为AP2亚家族，挑战了传统结构域数量分类标准。

染色体分布与复制事件

基因复制事件在C. arabica（100对）和C. eugenioides（14对）中显著促进家族扩张，其中C. arabica的C. canephora来源亚基因组存在13个特有复制事件。Ka/Ks比值分析（0.10-0.52）表明纯化选择是主导力量，维持了基因功能保守性。有趣的是，亚群IX（抗病相关）在C. arabica的C. canephora亚基因组中扩张至24个基因，远超C. canephora本身的14个，暗示杂交后特异性适应。

功能亚群分化

ERF亚家族进一步分为11个功能亚群，其中：

• 亚群III（耐温相关）在适应冷环境的C. eugenioides（16个基因）及其C. arabica亚基因组（17个）中显著多于耐热型C. canephora（12个），系统发育树揭示C. eugenioides特有分支（如CeERF094-096）可能贡献低温适应；

• 亚群IX（抗病相关）在C. arabica中呈现亲本不对称继承，其C. eugenioides亚基因组基因数（14个）仅为C. eugenioides本身（25个）的56%，反映抗病策略的谱系特异性演化。

跨物种保守性

OrthoFinder分析显示，79%的咖啡ERF基因在菊类植物中具有直系同源物，其中两个直系同源群（OG0000032、OG0000068）为咖啡属特有。RNA-seq揭示46-56%的AP2/ERF基因表达，部分复制基因对（如CaERF070/072）呈现表达分化，提示亚功能化趋势。

这项研究首次绘制了咖啡AP2/ERF家族的进化图谱，揭示基因复制与谱系特异性选择共同塑造了抗逆性状的遗传基础。特别值得注意的是，C. arabica通过亚基因组不对称演化，可能整合了C. canephora的抗病基因扩张与C. eugenioides的低温适应特性。这些发现为分子设计育种提供了重要靶点——亚群III和IX基因可作为温度适应性与抗病性改良的双重候选，而保守的直系同源关系则暗示跨物种抗逆机制的可移植性。随着气候变化的加剧，这项工作为保障全球咖啡产业可持续发展提供了关键理论基础。