柠条锦鸡儿SnRK基因家族全基因组鉴定及其在干旱与氮沉降胁迫下的表达调控机制研究

本研究针对干旱和氮沉降加剧背景下重要固沙灌木柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）的抗逆机制问题，通过全基因组分析鉴定出33个CkSnRK基因，揭示其与红皮柳的密切进化关系，发现启动子区富含逆境响应顺式元件，并证实叶片中CkSnRK基因在干旱与氮互作胁迫下显著上调表达，为灌木抗逆性遗传改良提供理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱和氮沉降正成为制约植物生存的重要环境因子。在干旱半干旱地区，水分短缺与氮素沉降的交互作用对植物生长发育产生复杂影响。柠条锦鸡儿作为我国西北地区重要的固沙灌木物种，在水土保持和生态修复中发挥着关键作用。然而，人们对这种生态先锋植物如何通过分子机制应对干旱和氮沉降胁迫仍知之甚少。

蛋白质激酶通过磷酸化靶蛋白在植物环境适应中发挥重要作用。蔗糖非发酵-1相关蛋白激酶（SnRK）作为一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与植物非生物胁迫响应。研究人员在《BMC Genomics》上发表了关于柠条锦鸡儿SnRK基因家族的首个系统性研究。

研究团队采用全基因组分析方法，结合隐马尔可夫模型（HMM）筛选和保守结构域验证，从柠条锦鸡儿基因组中鉴定出33个CkSnRK基因。通过系统进化分析将这些基因分为三个亚家族：SnRK1（2个基因）、SnRK2（14个基因）和CIPK（17个基因）。研究进一步利用比较基因组学分析基因复制事件，通过顺式元件分析预测基因调控功能，并采用qRT-PCR技术检测基因在不同胁迫条件下的表达模式。

基因组鉴定与分类

研究人员在柠条锦鸡儿8条染色体上共鉴定到33个CkSnRK基因，其中7号染色体分布最多（8个基因），8号染色体分布最少（仅1个基因）。系统进化分析显示，这些基因与拟南芥、水稻、毛果杨、白菜和红皮柳的SnRK基因共同分为三个明确的亚家族。

基因结构与保守基序

基因结构分析显示CkSnRK1含有10-12个外显子，CkSnRK2含有7-11个外显子，而CkCIPK的外显子数量变异较大（1-15个）。保守结构域分析表明所有CkSnRK蛋白均包含一个PK结构域（PF00069），同时还鉴定出20个保守基序，同一亚家族成员具有相似的结构特征。

顺式作用元件分析

对启动子区2kb序列的分析发现了大量与激素响应相关的顺式元件，包括茉莉酸甲酯（MeJA，64个）、赤霉素（29个）、脱落酸（ABA，103个）、生长素（17个）和水杨酸（SA，22个）。此外，还发现了与低温响应、厌氧诱导、防御和胁迫响应等相关的元件，表明CkSnRK基因广泛参与多种胁迫响应过程。

基因复制与进化分析

共鉴定出11对CkSnRK基因，其中10对来自片段复制，1对（CkSnRK2.13和CkSnRK2.14）为串联复制。Ka/Ks分析显示所有基因对的比值均小于1，表明在进化过程中受到了纯化选择的作用。基因组点图分析发现每条染色体存在两个明显的同源片段，为柠条锦鸡儿近期发生的全基因组复制事件提供了证据。

共线性分析

比较基因组分析显示，柠条锦鸡儿与红皮柳（Salix sinopurpurea）之间存在更多的共线性基因对，表明这两个物种在进化上具有较近的亲缘关系。

蛋白互作与三维结构

蛋白互作预测显示CkSnRK1亚家族的两个成员之间存在相互作用，而CkCIPK蛋白与钙调磷酸酶B样蛋白CBL1、CNL3和CNL9相互作用，形成钙感应模块参与发育信号传导和逆境响应通路。三维结构分析显示所有CkSnRK蛋白在N端均含有PK结构域，而C端的不同结构决定了各亚家族的特征。

表达谱分析

qRT-PCR分析显示，在5g N m^-2 a^-1氮沉降与干旱联合胁迫下，叶片中大多数CkSnRK基因表达上调，而根中基因表达变化不显著。在10g N m^-2 a^-1高氮条件下，基因表达水平普遍高于低氮处理。CkSnRK1家族基因在叶片组织中表现出相同的表达模式，均在干旱与氮联合胁迫下上调表达。

亚细胞定位

通过农杆菌介导的瞬时表达实验证实CkSnRK1.2、CkSnRK2.4和CkCIPK8定位于细胞质膜，这与它们在信号转导中的功能相一致。

研究结论表明，柠条锦鸡儿SnRK基因家族通过全基因组复制事件扩展，在进化过程中受到纯化选择压力。启动子区丰富的逆境响应元件表明这些基因广泛参与多种胁迫响应途径。表达分析证实CkSnRK基因在叶片中对干旱和氮沉降胁迫更为敏感，这可能与地上部器官直接暴露于环境胁迫有关。该研究为深入理解木本植物逆境响应机制提供了重要见解，也为通过遗传改良提高柠条锦鸡儿抗逆性奠定了理论基础。

特别值得注意的是，研究发现柠条锦鸡儿与红皮柳具有较近的进化关系，这为研究锦鸡儿属植物的进化历史提供了新视角。蛋白质互作分析揭示了CkCIPK与钙信号元件CBL蛋白的相互作用网络，表明钙信号通路在柠条锦鸡儿逆境响应中发挥关键作用。这些发现不仅丰富了我们对植物SnRK基因家族功能多样性的认识，也为未来利用基因工程技术改良灌木物种抗逆性提供了候选基因资源。