Genomic Signatures of SnRKs：揭示兰花进化奥秘与建兰抗逆机制

为探究兰花对非生物胁迫的响应，研究人员分析建兰（Cymbidium ensifolium）SnRK 基因，发现其在进化中保守且参与多种胁迫响应，为兰花育种提供依据。

　　在植物的生长历程中，它们常常面临着诸多挑战，干旱、高温、低温以及土壤盐碱化等非生物胁迫，时刻威胁着植物的生存与繁衍。这些胁迫不仅打乱了植物的生物钟，还干扰了其代谢物质的合成和信号的传递。就拿中国来说，西北的土壤盐碱化、全国性的干旱以及极端高温区域的扩张，都严重阻碍了植物的生长。建兰，作为一种具有极高观赏和经济价值的花卉，广泛种植于中国福建等地，已然成为兰花产业的重要支柱。然而，在野生环境中，建兰的生存以及人工引种、栽培都面临着非生物胁迫带来的严峻挑战。因此，深入研究建兰对非生物胁迫的响应机制，对于兰花的育种、栽培以及整个兰花产业的发展都有着至关重要的意义。

在众多参与植物应对非生物胁迫的基因家族中，蔗糖非发酵 1 - 相关蛋白激酶（SnRKs）家族扮演着关键角色。它不仅参与植物的代谢调节、生长发育过程，还在植物对非生物胁迫的响应中发挥着重要作用。尽管 SnRKs 基因在其他植物中已有研究，但在兰花领域，相关研究却极为匮乏。基于此，福建农林大学观赏植物种质资源创新与工程应用研究中心等机构的研究人员，针对兰花的 SnRKs 基因展开了深入研究。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为我们揭示了兰花在应对非生物胁迫时的分子机制，为兰花产业的发展提供了新的理论依据。

研究人员主要运用了生物信息学分析技术。他们从公共数据库下载了建兰及其他八种兰花的基因组数据，以拟南芥（Arabidopsis thaliana）的 SnRK 蛋白序列为参考，通过 BLASTP 搜索等方法，在兰花基因组中鉴定 SnRK 基因。同时，利用多种在线工具和软件，对基因的结构、保守结构域、系统发育关系、蛋白质相互作用网络等进行预测和分析。此外，还通过 RT - qPCR 实验，检测建兰不同组织和在不同胁迫处理下 SnRK 基因的表达水平。

研究结果

1. 兰花 SnRK 基因的鉴定与系统发育分析：研究人员在九种兰花基因组中总共鉴定出 362 个 SnRK 基因，其中建兰基因组中有 33 个 CeSnRKs 基因。通过系统发育分析发现，CeSnRK 蛋白可分为 SnRK1、SnRK2 和 SnRK3 三个进化分支。不同兰花中 SnRK 基因数量有所差异，多数兰花的 SnRK 基因数量在 30 - 41 之间，且 SnRK3 亚家族成员数量最多，SnRK1 亚家族成员数量最少12。
2. CeSnRKs 的基因结构与组成：CeSnRKs 具有保守的结构域，如丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶活性位点、ATP 结合位点等。通过对基因结构的分析，发现不同亚家族的 CeSnRKs 在保守基序、外显子、内含子等方面存在差异。例如，CeSnRK1 和 CeSnRK2 亚家族成员内含子数量较多，而 CeSnRK3 亚家族中多数成员内含子数量较少。这些差异体现了基因功能的多样性34。
3. CeSnRK 蛋白的三级结构：预测结果显示，CeSnRK 蛋白的二级结构主要由 α 螺旋、β 折叠和转角组成。不同亚家族的代表蛋白在 α 螺旋、β 折叠和转角的比例上存在差异，三级结构也进一步表明了不同亚家族成员之间的结构差异，突出了 CeSnRK 蛋白的功能多样性56。
4. CeSnRK 基因启动子区域的顺式作用元件：在 33 个 CeSnRKs 基因的 2 kb 上游启动子区域，共鉴定出 40 种转录因子结合位点，这些位点可分为温度响应、干旱响应和 ABA 信号响应等三大类。其中，ABA 响应元件最为丰富，暗示 CeSnRK 基因广泛参与 ABA 响应。聚类分析表明，1401 - 1600 bp 区域可能是顺式作用元件的核心区域78。
5. CeSnRKs 对 ABA 的响应表达：研究人员检测了 11 个高表达基因在 ABA 处理下的表达情况，发现所有 CeSnRK 基因都对 ABA 有响应。大多数基因在处理第三天表达上调，第七天表达下调，但不同基因的表达模式存在差异，体现了 SnRK 基因对 ABA 响应的复杂性910。
6. CeSnRK 基因的 miRNA 靶标预测：除 CeCIPK18 外，其余 CeSnRK 基因成员都含有两个或更多的 miRNA 结合位点。预测结果还发现了一些与非生物胁迫相关的 miRNA，如 miR414、miR156 等，表明 miRNA 与 CeSnRKs 之间存在复杂的调控网络11。
7. CeSnRKs 的功能与调控网络：通过分析 CeSnRK 蛋白的相互作用网络，发现 40 种功能蛋白与 CeSnRKs 相互作用，这些蛋白涉及 ABA 信号转导、温度响应、盐胁迫响应和干旱胁迫响应等多个方面。同时，预测了 CeSnRK 蛋白的磷酸化位点，进一步强调了其功能的多样性1213。
8. CeSnRK 成员在不同组织和阶段的表达谱：转录组数据分析表明，大多数 CeSnRK 基因在建兰的不同组织和发育阶段都有表达，但存在组织特异性表达模式。例如，CeSnRK2.1 和 CeCIPK28 在多个组织中高表达，而部分基因在花的特定发育阶段表达量较高1415。
9. CeSnRKs 在干旱和低温胁迫下的表达：研究发现，多数基因在 PEG 6000 模拟干旱和低温处理下表达下调。相关性分析表明，ABA 处理与干旱处理呈显著正相关，暗示 CeSnRK 基因可能通过 ABA 信号通路对多种胁迫做出响应16。

研究结论与意义

本研究通过对九种兰花基因组中 SnRK 基因的鉴定和对建兰 CeSnRK 基因的深入分析，发现 SnRK 基因在兰花进化过程中具有一定的保守性。建兰 CeSnRK 基因家族成员通过多种机制参与植物对非生物胁迫的响应，尤其是 ABA 信号通路。分散重复是 CeSnRK 基因家族扩张的主要驱动力，基因成员的扩张导致了组织独立表达和功能分化。这些研究结果加深了我们对兰花中 SnRK 基因在非生物胁迫响应中作用的理解，为进一步研究兰花的抗逆机制提供了重要线索，也为兰花的遗传改良和品种选育提供了理论支持，对推动兰花产业的可持续发展具有重要意义。