甜瓜中的类似COBRA的基因家族：进化关系、表达谱及其在干旱胁迫适应中的潜在作用

《South African Journal of Botany》：The COBRA-Like gene family in melon: evolutionary relationships, expression profiles, and potential roles in drought stress adaptation

本研究首次对甜瓜中COBL基因家族进行全基因组分析，鉴定出9个CmCOBL基因，揭示其结构特征、进化关系及表达模式。干旱胁迫下，CmCOBL1、3、4、6显著上调表达，参与细胞壁重塑和抗旱机制，为培育耐旱甜瓜品种提供理论依据。

　　

阿伊林·卡巴斯（Aylin Kabas）|阿里·基亚克（Ali Kiyak）|海里·乌斯顿（Hayri Ustun）|M·巴图汉·德米雷利（M. Batuhan Demirelli）|塞尔曼·乌卢伊西克（Selman Uluisik）

阿克德尼兹大学（Akdeniz University）马纳夫加特职业学院（Manavgat Vocational School）有机农业系，土耳其安塔利亚07070

摘要

COBRA-Like（COBL）基因家族编码植物特异性的糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白，这些蛋白在纤维素沉积、细胞壁组织构建以及细胞定向扩展中起着核心作用。尽管已经对许多物种中的COBL基因的功能进行了分析，但甜瓜中该家族的具体成员尚未确定。本研究调查了甜瓜植株对两种灌溉制度的遗传反应：对照组和干旱胁迫组。通过全基因组分析，鉴定出9个CmCOBL基因，并进一步分析了它们的结构特征、进化关系以及在这些条件下的表达谱。生物信息学分析揭示了保守的基序、顺式调控元件以及与Cucurbitaceae家族功能多样性一致的系统发育聚类。组织特异性转录组分析显示，CmCOBL1、CmCOBL4和CmCOBL7在果实和花组织中高度表达，表明它们在发育过程中起关键作用。在四种甜瓜基因型（ATM01、ATM02、ATM03和ATM07）的干旱胁迫条件下进行的RT-qPCR分析表明，CmCOBL1、CmCOBL3、CmCOBL4和CmCOBL6的表达受基因型影响，这表明它们可能参与细胞壁重塑和胁迫适应。总体而言，本研究为理解甜瓜COBL基因的进化模式和调控作用提供了全面的基础，为进一步的功能分析和选育耐旱甜瓜品种奠定了基础。

引言

细胞壁对植物提供结构支持和保护至关重要，同时也是抵御生物和非生物胁迫的重要防御机制（Qiu等人，2021年）。细胞壁还通过协调的定向细胞分裂和受控的细胞扩展过程决定植物细胞的形状。围绕植物细胞的初生细胞壁主要由纤维素、半纤维素、果胶和蛋白质组成。相比之下，次生细胞壁由纤维素、半纤维素和木质素构成，在特定细胞类型的细胞生长停止后沉积在质膜和初生细胞壁之间（Khodayari等人，2024年）。纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，是植物细胞壁的基本组成部分（Lampugnani等人，2018年）。它由嵌入质膜中的纤维素合成酶复合体（CSC）合成。该复合体中负责催化纤维素合成的核心酶是纤维素合成酶（CESA）（S. Li等人，2013年）。纤维素合成酶主要需要甾醇-β-葡萄糖苷作为引物来启动纤维素合成，并产生β(1 ? 4)-连接的葡聚糖残基链（Peng等人，2002年）。此外，COBRA-like基因（COBLs）编码糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白，并与特定的CESA成员共表达，在纤维素的产生、积累、结晶度以及细胞扩展方向的调控中起关键作用（Roudier等人，2005年）。例如，使用Affymetrix微阵列分析鉴定了拟南芥中的纤维素合成相关因子。其中，COBRA同源基因COBL4是表达量最高的10个基因之一，与CESA4、CESA7和CESA8并列。这一发现为COBRA基因在细胞壁纤维素生物合成中的潜在作用提供了有力证据（Persson等人，2005年）。

COBRA-like基因在纤维素生物合成中起关键作用，影响细胞扩展的方向，调节纤维素微纤丝的水平，并参与植物的防御机制（Niu等人，2018年）。虽然COBL基因已在多种双子叶和单子叶植物中被鉴定出来，包括番茄（Solanum lycopersicum）（17）（Cao等人，2012年）、玉米（Zea mays）（11）（Brady等人，2007年）、水稻（Oryza sativa）（9）（Liu等人，2013年）、棉花（Gossypium spp.）（39）（Fu等人，2024年）、小麦（Triticum aestivum）（Zaheer等人，2022年）、大豆（Glycine max）（24）（Sangi等人，2021年）、大麦（Hordeum vulgare）（13）（Ren等人，2024年）和拟南芥（12）（Roudier，2002年）。拟南芥、玉米和水稻分别含有12、11和9个COBL基因，这些基因可以分为两个主要亚组。其中一个亚组的特征是在N端区域存在额外的氨基酸，某些成员在该区域额外含有170个氨基酸（Roudier，2002年）。此外，除了AtCOBRA-LIKE1（AtCOBL1）、AtCOBL4和AtCOBL5外，所有AtCOB基因家族的成员都被证实是GPI锚定蛋白（Roudier等人，2005年）。COBL基因还对控制植物生长和发育过程至关重要。在Sorghum bicolor中，SbBC1中的一个核苷酸突变导致了一种COBRA-like蛋白的产生，从而降低了机械强度，减少了纤维素含量并增加了木质素的积累。研究表明该基因介导纤维素生物合成和细胞壁重塑（Li等人，2019年）。GhCOBL9的过表达以及RNAi介导的抑制产生了相反的表型，表明GhCOBL9在棉花纤维的纤维素沉积和细胞壁发育中起关键作用（He等人，2025年）。在小麦中，TaCOBL参与植物细胞壁和种皮中的纤维素生物合成，影响种子的形成和成熟（Zaheer等人，2022年）。同样，在番茄中，SlCOBL在强化果实表皮细胞壁方面起关键作用，从而提高果实硬度并延长保质期（Cao等人，2012年）。

除了在发育中的作用外，COBL基因对胁迫适应也至关重要。一项最重要的研究是在水稻中进行的，其中DROUGHT1（DROT1）被鉴定为一种赋予耐旱性的COBRA-like蛋白。DROT1在维管束中特异性表达，通过调节细胞壁结构、增加纤维素含量和维持纤维素结晶度来增强耐旱性（Sun等人，2022年）。在中国郁金香树（Liriodendron chinense）中，LcCOBL3、LcCOBL4和LcCOBL5在寒冷、高温和干旱胁迫下显著上调（Qiu等人，2023年）。同样，在杨树中，PtrCOBL2、PtrCOBL3、PtrCOBL10和PtrCOBL11在非生物胁迫条件下表现出最高的表达水平，突显了它们在胁迫响应和适应中的作用（Sajjad等人，2023年）。转录组和功能分析显示，GhCOBL22在PEG诱导的干旱胁迫下显著上调。通过病毒诱导的基因沉默（VIGS）沉默GhCOBL22会降低耐旱性，表明其在胁迫适应中的关键作用（Fu等人，2024年）。TaCOBL6A2是一种位于小麦6A染色体上的COBRA-like基因，被鉴定为耐热性的关键调节因子。在拟南芥中过表达TaCOBL6A2可以提高耐热性，同时激活热休克蛋白和氧化应激途径，表明TaCOBL6A2可以用于培育耐热小麦（Deng等人，2025年）。

甜瓜（Cucumis melo）是一种广泛种植且经济价值高的物种，以其甜美多汁的果实而闻名。作为Cucurbitaceae家族中多样性最高和多态性最强的物种之一，其染色体结构为2n = 2x = 24（Pitrat，2008年）。甜瓜适合温暖和温带气候，全球种植面积达1,092.354公顷，产量为27,043.700吨（FAO，2023年）。从经济角度来看，C. melo的品种通常根据其烹饪特性进行分类。cantalupensis和inodorus组在美国、欧洲以及地中海和亚洲国家具有商业价值，而conomon组起源于亚洲（Staub等人，2000年）。在土耳其，inodorus组的冬季甜瓜种植最为广泛，其中‘Kirkagac’（原名为K?rka?a?）、‘Yuva’和‘Hasanbey’是最著名的本地品种。Kirkagac甜瓜以其多样的形状和大小而著称，其特征是黄色果皮上有黑色斑点和条纹（Mancak等人，2014年）。尽管产量不断上升，生物和非生物胁迫仍对产量和质量产生负面影响（Wang等人，2022年）。甜瓜种植面临的长期挑战包括灌溉受限、干旱和土壤盐分增加（Grumet等人，2021年）。其中，干旱是最严重的环境胁迫因素之一，严重影响植物的新陈代谢和生长（Rahdari等人，2012年）。在营养生长期和生殖期缺水都会损害植物细胞和组织，导致产量下降（Widaryanto等人，2017年）。然而，迄今为止，培育抗非生物胁迫的甜瓜品种的努力仍然有限（Grumet等人，2021年）。

尽管COBL基因在多种作物中已被广泛研究，但在甜瓜中尚未进行过全基因组鉴定、结构分析或胁迫响应表达分析。在这项研究中，我们首次对甜瓜中的COBL基因家族进行了全基因组鉴定和表征。为此，全面分析了甜瓜COBL基因家族成员的生物学特性，如它们的系统发育关系、基因结构、顺式调控元件和染色体位置。此外，我们还分析了纯甜瓜品系及由此品系培育出的杂交品种在干旱胁迫条件下的CmCOBL基因表达谱。本研究为深入理解和分析甜瓜COBL基因的功能提供了理论基础。

研究片段

植物材料、生长条件和干旱胁迫处理

本研究使用了四种甜瓜品种，包括三个纯系（ATM01、ATM02和ATM03）和一个通过ATM01和ATM02杂交培育出的杂交品种（ATM007）。所有品种均由位于土耳其安塔利亚的Antalya Seeds Ltd. Co.提供。种子播种在由泥炭、珍珠岩和蛭石（6:1:1）组成的育苗盘中，并添加了有机肥料。播种后，育苗盘在20–24°C和70–80%的相对湿度下保持最佳幼苗生长条件

甜瓜COBL基因的鉴定和表征

COBL基因参与细胞扩展和纤维素形成，这两者对植物的生长、功能和发育都至关重要（Persson等人，2005年）。利用拟南芥 COBL蛋白的氨基酸序列作为查询序列，通过BLASTp和默认参数鉴定了葫芦科植物的COBL蛋白序列。在13种葫芦科植物中检测到136个潜在的COBL基因：9个来自栽培甜瓜，9个来自苦瓜，8个来自葫芦，11个来自仙人掌果，9个来自黄瓜

讨论

由于生物和非生物胁迫因素的共同影响，农业生产力预计将显著下降，这对生物圈稳定性和全球能源安全构成严重威胁。众所周知，非生物胁迫，特别是干旱，会对植物生长、发育和生产力产生负面影响（Sajjad等人，2023年）。下一代测序（NGS）技术显著重塑了作物植物的基因组景观，提供了广泛的信息

结论

本研究对CmCOBL基因家族进行了全基因组分析，重点关注它们的遗传结构和对干旱胁迫（DS）的反应，共鉴定出9个CmCOBL基因。分析了这些基因的基因结构、启动子区域的顺式调控元件以及在干旱胁迫条件下不同组织中的转录谱和相对基因表达水平。在干旱胁迫下，多个CmCOBL基因，尤其是CmCOBL1、3、4和6表现出显著变化

资金

本研究未获得任何资金支持。

CRediT作者贡献声明

阿伊林·卡巴斯（Aylin Kabas）：撰写——初稿，概念构思。阿里·基亚克（Ali Kiyak）：撰写——初稿，可视化，方法论。海里·乌斯顿（Hayri Ustun）：撰写——初稿，软件使用，数据管理。M·巴图汉·德米雷利（M. Batuhan Demirelli）：方法论，概念构思。塞尔曼·乌卢伊西克（Selman Uluisik）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。