海带钙依赖性蛋白激酶家族(SjCDPKs)的全基因组鉴定与功能解析：揭示褐藻独特的钙信号传导进化路径

本研究首次在褐藻中系统鉴定出16个钙依赖性蛋白激酶(SjCDPKs)，通过比较基因组学揭示其独立于植物的进化轨迹。研究人员结合表达谱分析和亚细胞定位，发现SjCDPKs在配子体发育、孢子体生长及铜离子(Cu2+)、病原体胁迫响应中发挥重要作用，为理解褐藻环境适应机制提供了新视角。

　　

在浩瀚的海洋中，褐藻作为独立于植物、动物和真菌的独特真核生物谱系，其环境适应机制始终是科学家探索的谜题。钙离子(Ca²⁺)作为普遍存在的第二信使，通过钙依赖性蛋白激酶(CDPK)介导的信号通路在生物应激响应中扮演核心角色。尽管CDPK在陆地植物中的功能已被广泛研究，但关于褐藻这类"第三王国"生物中CDPK的进化特征和生理功能仍存在巨大知识空白。山东农业大学藻类种质与精英品种中心的研究团队选择经济褐藻海带(Saccharina japonica)为模型，通过多组学方法系统解析了SjCDPK基因家族的特征，相关成果发表于《BMC Genomics》。

研究采用生物信息学与实验验证相结合的策略：首先基于隐马尔可夫模型(HMMER)和BLAST在全基因组范围鉴定CDPK成员；通过最大似然法(ML)构建包含褐藻、硅藻、绿藻和陆生植物的系统发育树；利用RNA-seq分析不同发育阶段（配子体成熟期/未成熟期、孢子体不同组织）及胁迫条件（高光、Cu²⁺、病原菌X-8）下的表达谱；最后通过农杆菌介导的烟草瞬时表达系统进行亚细胞定位验证。

基因组鉴定与进化分析

研究在S. japonica基因组中鉴定出16个SjCDPK基因，蛋白长度456-1,330个氨基酸，等电点4.94-9.72。系统发育分析显示褐藻CDPKs与陆生植物形成独立分支，其中Group III成员（如SjCDPK12含PH结构域、SjCDPK13含CNMP结构域）呈现激酶结构域C端定位的独特排列方式。染色体定位分析发现SjCDPKs分布于11条染色体上，未检测到串联或片段重复事件，与褐藻Ectocarpus siliculosus的共线性分析揭示15对保守基因。

表达模式特征

配子体发育阶段显示性别特异性调控：SjCDPK2/9/13在成熟雄配子体中特异性上调，而SjCDPK5/8在未成熟阶段高表达。孢子体发育中，SjCDPK9/15在老组织（2/3及远端叶片）高表达，6个基因（SjCDPK2/5/8/10/11/14）在新组织（基部及1/3叶片）活跃。胁迫响应分析表明：高光处理6小时所有检测基因达表达峰值；10 μg/L Cu²⁺上调SjCDPK13而200 μg/L抑制SjCDPK5/11/16；病原菌X-8感染诱导SjCDPK11/13但抑制SjCDPK10/15。

功能验证

亚细胞定位显示SjCDPK4主要定位于细胞质，而SjCDPK5在细胞核富集，Western blot验证了融合蛋白的正确表达。启动子顺式元件分析发现所有SjCDPKs均含光响应元件（G-box、Sp1）和激素响应元件（ABRE、CGTCA-motif），暗示其参与光信号与激素交叉调控。

该研究首次绘制了褐藻CDPK家族的全景图谱，揭示其在进化过程中形成了独特的结构特征（如PH/CNMP结构域、激酶域倒置）和表达调控模式。特别值得注意的是，不同于陆生植物CDPKs通过基因复制扩张功能多样性，褐藻CDPKs通过结构域创新（如SjCDPK12的PH结构域可能参与膜定位和信号转导）实现功能特化。研究建立的"表达模式-亚细胞定位-顺式元件"关联模型，为阐释SjCDPKs在褐藻生活史转换（如配子体性别分化）和环境适应（如铜解毒、光胁迫响应）中的分子机制提供了重要线索。这些发现不仅丰富了真核生物钙信号系统的认知，也为褐藻抗逆品种选育提供了潜在分子靶标。