《International Journal of Molecular Sciences》：Identification and Expression Analysis of the CLE Gene Family in Sesame
编辑推荐：
CLE（CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION-related）小肽构成了植物中一个庞大的超基因家族，广泛参与植物胁迫响应及生长发育调控。光、水分、重力和机械损伤对维持植物正常生长发育具有关键作用；然而，关于CLE基因是否参与芝麻
CLE（CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION-related）小肽构成了植物中一个庞大的超基因家族，广泛参与植物胁迫响应及生长发育调控。光、水分、重力和机械损伤对维持植物正常生长发育具有关键作用；然而，关于CLE基因是否参与芝麻对这些胁迫的响应，此前尚无报道。本研究对中芝13号中的CLE基因家族进行了系统鉴定。利用光和重力进行胁迫诱导，并通过转录组测序分析了各组织器官中的表达模式。同时，查询并分析了NCBI数据库中已发表的水分胁迫响应数据。结果表明，中芝13号基因组中共存在12个SiCLE基因，分布于6条染色体上。每个基因在其N端编码一个信号肽，并在其C端编码一个保守基序。大多数SiCLE基因呈单外显子结构。SiCLE基因编码的蛋白质长度为72至133个氨基酸。这些蛋白质大多为碱性、疏水性且不稳定的蛋白质。对启动子顺式作用元件的分析揭示，大多数CLE基因家族成员含有与光、植物激素、胁迫以及生长发育相关的响应元件。转录组分析显示，SiCLE4、SiCLE5、SiCLE8和SiCLE10在水分胁迫、光胁迫以及重力胁迫/机械损伤条件下表现出差异表达。这些结果为未来阐明CLE基因家族在非生物胁迫响应及生长发育调控中的生物学作用奠定了坚实基础。
芝麻CLE基因家族研究：鉴定、进化与胁迫响应的系统解析
一、研究背景与意义
CLE（CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION-related）基因家族编码植物特有的肽类激素，是植物中已知最大的肽家族之一。CLE蛋白通常由相对保守的N端信号肽、可变的中间区域以及C端高度保守的CLE结构域（通常为12–13个氨基酸）组成。该家族成员在精确调控植物生长发育方面发挥关键作用，例如调控根尖干细胞维持和根系发育。在拟南芥中，AtCLE25在干旱胁迫下作为长距离信号分子，被叶片中的BAM受体感知后诱导NCED3依赖的ABA合成和气孔关闭，从而减少蒸腾失水；AtCLV3则通过涉及WUSCHEL基因的负反馈环影响茎端分生组织干细胞数量。在水稻、玉米、大豆等物种中，CLE基因家族成员已被广泛鉴定和表征，并证实其参与根系发育、籽粒行数调控以及盐旱胁迫响应等过程。
然而，关于CLE基因在芝麻这一重要油料作物生长发育及胁迫适应中的作用，此前尚无研究报道。芝麻易受干旱和水分胁迫等非生物胁迫影响，严重制约其产量。光不仅为植物光合作用提供能量，还作为关键信号调控植物形态建成和生理代谢；重力是植物根茎向性运动的基础。因此，系统鉴定芝麻CLE基因家族成员，分析其序列特征、进化关系及在不同胁迫条件下的表达模式，对于阐明芝麻生长发育和逆境适应的分子调控机制具有重要意义。
二、研究内容与主要结论
该研究以芝麻品种“中芝13号”为材料，通过生物信息学手段系统鉴定了CLE基因家族，并利用转录组测序和qRT-PCR分析了该家族在不同胁迫条件下的表达特征。主要结论包括：
在基因组水平上共鉴定出12个SiCLE基因，不均匀地分布于6条染色体上，其中8号染色体分布最多（4个），2号和6号染色体分别分布3个和2个，12、15、16号染色体各分布1个。这些基因编码的蛋白质长度为72至133个氨基酸，除SiCLE3为酸性蛋白外，其余均为碱性蛋白；除SiCLE1和SiCLE3为亲水性蛋白外，其余均为疏水性蛋白；除SiCLE11和SiCLE12外，多数成员为不稳定蛋白。亚细胞定位预测显示，SiCLE蛋白主要定位于细胞质、叶绿体和液泡中，少量分泌至细胞外基质。
系统进化分析将芝麻、拟南芥、花生和大豆共92个CLE蛋白分为六个亚组。芝麻CLE基因家族与拟南芥和花生的进化保守性较强，而与大豆可能存在分化，大豆表现出显著的物种特异性扩张。基因结构分析显示，大多数SiCLE基因呈单外显子结构，仅SiCLE2和SiCLE4各含一个内含子，且所有基因均无5′和3′非翻译区。保守基序分析发现，所有SiCLE家族成员在C端均具有基序1，即CLE基序（SPKRVVPGGPDPIHH）；基序3（MDHYIQ）仅存在于SiCLE5、SiCLE7、SiCLE10和SiCLE11中。
启动子顺式作用元件分析表明，SiCLE基因家族成员启动子区含有大量与光响应、植物激素（水杨酸、生长素、脱落酸、赤霉素）响应、胁迫响应以及生长发育调控相关的元件。所有家族成员均含有光响应元件，其中SiCLE1含有的光响应元件数量最多（17个）。种内共线性分析鉴定出两对片段重复基因：SiCLE4/SiCLE10和SiCLE1/SiCLE12。种间共线性分析显示，芝麻与拟南芥之间存在1对直系同源基因，芝麻与紫苏之间存在6对，表明芝麻与拟南芥的分化时间较为久远。
转录组表达分析揭示了SiCLE基因在不同胁迫下的差异表达模式。在水分胁迫下，SiCLE5在耐水品种ZZM2541和敏感品种Ezhi-2的组织中均上调表达；SiCLE4、SiCLE8和SiCLE10在胁迫4或8小时后下调表达。在光胁迫下，SiCLE2在根、茎、叶中的转录水平升高，SiCLE8表达降低，SiCLE4在叶中降低但在根中升高，SiCLE5在根和叶中升高，SiCLE10在茎和叶中上调。在重力胁迫/机械损伤条件下，SiCLE5和SiCLE11在根、茎和茎尖中上调表达，SiCLE10在茎和茎尖中升高，SiCLE2在所有组织中下调表达。qRT-PCR验证结果与转录组数据高度一致，证实了转录组测序结果的可靠性。
三、主要技术方法
该研究采用了以下关键技术方法：利用BLASTP搜索、SMART结构域预测、SignalP信号肽预测和MEME保守基序分析进行基因家族成员鉴定；通过MEGA 11.0软件邻接法构建系统发育树；使用Plant CARE在线工具预测启动子顺式作用元件；采用MCScanX和TBtools软件进行共线性分析；基于转录组测序（由诺禾致源生物信息技术有限公司提供光胁迫和重力胁迫数据，水分胁迫数据来源于NCBI GEO数据库GSE133186数据集）分析基因表达模式；运用qRT-PCR对差异表达基因进行验证。
四、讨论与结论
讨论部分指出，CLE基因家族是已知最大的肽家族之一，在多数双子叶和单子叶植物中已有结构和功能分析，但芝麻中鲜有报道。本研究鉴定出的12个SiCLE基因数量少于拟南芥（32个）和大豆（39个），表明不同物种间CLE基因家族成员数量差异较大。SiCLE蛋白的结构特征（N端信号肽、中间可变区、C端保守CLE基序）与其他物种一致，表明CLE基因结构在不同物种间具有保守性。系统进化分析显示，SiCLE与AtCLE位于同一进化支的成员可能具有相似的生物学功能，如SiCLE5与AtCLE45、SiCLE2与AtCLE25的亲缘关系较近。研究还指出，离心模拟重力胁迫的方法虽然被广泛使用，但超重力不可避免地引入机械刺激，因此4332×g处理被归类为重力胁迫与机械损伤的复合处理。
研究结论表明，芝麻中鉴定出12个SiCLE基因，分布于6条染色体上，编码72至133个氨基酸的蛋白质，多数基因无内含子，均编码保守CLE基序和N端信号肽。转录组数据分析显示，SiCLE4、SiCLE5、SiCLE8和SiCLE10在水分胁迫、光胁迫和重力胁迫/机械损伤处理下表现出显著差异表达；SiCLE2和SiCLE12在光胁迫下表现出明显表达差异；SiCLE1、SiCLE2、SiCLE11和SiCLE12在重力胁迫/机械损伤下差异表达。这些结果提示SiCLE基因可能在芝麻响应光、水分和重力等非生物胁迫中发挥重要作用，为后续深入阐明CLE基因家族在非生物胁迫响应及生长发育调控中的生物学功能奠定了坚实基础。
