高粱全基因组COBRA-like基因家族鉴定及非生物胁迫下表达模式分析

　　本研究通过生物信息学方法系统鉴定了高粱(Sorghum bicolor)中COBRA-like(CBL)基因家族成员，揭示了10个SbCBL基因在BTx623和E048两个品种中的分布特征。研究发现该家族基因具有典型CCVS结构域，通过全基因组复制(WGD)事件扩张，并参与根系发育及盐旱胁迫响应（NaCl/PEG处理显著影响SbCBL4/SbCBL9表达）。研究为解析CBL基因在纤维素合成和逆境适应中的功能提供了新视角。

　　

引言

COBRA-like(CBL)基因家族编码一类植物特有的糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定蛋白，通过定位于质膜外侧参与细胞壁重塑信号感知。该家族最初在拟南芥(Arabidopsis thaliana)根系发育异常的cob突变体中被发现，其成员数量在不同物种中差异显著：拟南芥含12个、水稻(Oryza sativa)11个、玉米(Zea mays)9个、棉花(Gossypium hirsutum)达39个。典型CBL蛋白具有N端信号肽、芳香族氨基酸富集区、中央CCVS结构域和C端GPI锚定信号序列。

材料与方法

研究采用HMMER 3.3.2基于PF04833结构域模型，从高粱BTx623和E048基因组中鉴定出10个CBL基因。通过MEME Suite预测保守基序，MEGA 7.0构建系统进化树，MCScanX分析基因复制事件，并利用RT-qPCR检测150 mM NaCl和15% PEG处理下的表达变化。

结果

基因特征：SbCBL蛋白长度差异显著（SbCBL1仅187个氨基酸而SbCBL7达673个），70%成员等电点>7且定位质膜。系统进化将20个基因分为三组：Group I含12个成员（如SbCBL1-4），Group II含SbCBL10/SbECBL10，Group III含6个成员（如SbCBL5/9）。

扩张机制：全基因组复制(WGD)事件形成SbCBL3/7和SbCBL5/9基因对，Ka/Ks值0.1-0.27表明经历强烈纯化选择。共线性分析显示高粱与水稻(10对)、谷子(10对)的CBL基因保守性高于拟南芥(3对)。

表达模式：

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  组织特异性：SbCBL1/5/9在根中高表达，SbCBL2/4/8在茎优势表达，SbCBL6/7/10在花序特异表达。

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  胁迫响应：NaCl处理使SbCBL4上调而SbCBL9下调；PEG处理激活SbCBL4但抑制SbCBL3/5/9。启动子分析发现ABRE、LTR等逆境响应元件富集。

讨论

功能推测：Group III成员启动子区低温响应元件LTR(CCGAAA)密集分布，暗示其参与冷胁迫适应。与玉米ZmBK2L3的进化关联提示SbCBL1/2可能通过调节木质素-纤维素互作维持器官柔韧性。

应用前景：SbCBL4在干旱下的持续激活特性可作为分子标记用于抗旱育种。研究局限在于缺乏蛋白水平验证，未来需通过CRISPR-Cas9构建突变体进行功能解析。

结论

研究首次揭示高粱CBL基因家族通过WGD扩张形成10个成员，其表达具有组织特异性和胁迫响应性，为作物抗逆遗传改良提供了候选基因资源。