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植物响应外界逆境胁迫及其自身生长发育信号,维持正常生理代谢,则必须维持其体内的离子平衡。细胞膜或细胞器膜上的离子转运蛋白在离子转运及平衡的过程中起到了重要作用,其中含有Na+/H+exchanger结构域(Pfam:PF00999)的一类离子转运蛋白称为钠氢逆转运体或一价阳离子氢离子逆转运体(monovalent Cation Proton antiporter; CPA)。拟南芥基因组中CPA成员已经被注释,部分成员也被功能克隆,最近一篇报道也探讨了植物CPA成员的进化关系,然而对于植物CPA成员的系统比较基因组学分析却仍未进行。本研究选取8个植物基因组,包括藻类、苔藓及被子植物,鉴定CPA成员,并在蛋白结构域、基因倍增、进化速率、基因共表达等方面进行了比较分析。利用HMMER search在Chlamydomonas reinhardtii(藻类)、Physcomitrella patens(苔藓)、Oryza sativa(单子叶)、Sorghum bicolor(单子叶)、Zea mays(单子叶)、Arabidopsis thaliana(双子叶)、Vitis vinifera(双子叶)和Populus trichocarpa(双子叶)中共鉴定了240个CPA成员,均包含一个典型的cation/H+exchanger结构域(InterPro:IPR006153)。构建的进化树分为三个大的进化分支,分别对应CPA大家族所包含的三个基因家族,即CHX (Cation/H+Exchanger), KEA (K+Efflux Antiporter)和NHX (Na+/H+eXchanger)基因家族,其中CHX基因家族在被子植物中有扩增现象,该现象部分是由于基因组的片段倍增及串联倍增所导致的。相似序列Motif的鉴定表明多数Motif是各自家族所独有的,表明CPA大家族进化上的多样性(diverse)。对CPA同源基因对的cation/H+exchanger结构域部分的进化速率(Ka/Ks ratio)的计算显示KEA家族的该结构域经历了非常强的纯化选择。基因共表达的探讨表明尚未被功能克隆的KEA基因可能参与光合作用和糖代谢的生物学过程。胡杨为耐盐树种,NHX家族中仅有一个质膜类基因在胡杨中被克隆,液泡膜(内膜)类的基因尚未被研究,为了进一步探讨胡杨耐盐的分子机制,本研究克隆了6个胡杨液泡膜(内膜)类NHX基因,命名为PeNHX1-6,荧光定量PCR显示在盐处理6h后,PeNHX1-6的表达在根中受到诱导,部分NHX基因在茎叶组织中受到诱导。PeNHX3在洋葱表皮细胞中的瞬时表达表明其定位于液泡膜上,PeNHX1-6在酵母nhxl突变菌株中的异源表达显示它们均能部分弥补该突变菌株对高浓度Na+、K+、Li+的敏感表型,上述结果表明PeNHX1-6可能作为液泡类Na+/H+逆转运体在胡杨根中对Na+进行液泡区域化,从而降低Na+对胡杨地上部分的伤害。CBL (Calcineurin B-Like)-CIPK (CBL Interacting Protein Kinase)是植物中重要的一条钙离子信号通路,其中NHX家族中的一个质膜类基因(NHX7)即受该信号通路调节,该通路同时在K+平衡中也起到重要作用。为了更进一步理解CBL-CIPK信号通路的进化及功能,本研究重点对CIPK基因进行了系统的比较基因组学分析。在8个植物基因组中,包含Chlorella spec.(藻类)、Ostreococcus tauri(藻类)、Physcomitrella patens(苔藓)、Selaginella moellendorffii(蕨类)、Oryza saliva(单子叶)、Zea mays(单子叶)、Arabidopsis thaliana(双子叶)和Populus trichocarpa(双子叶),鉴定出146个CIPK基因,与以前报道相比,其中O. sativa和P. trichocarpa中分别新鉴定出4个和3个CIPK基因,构建的进化树表明146个CIPK基因分为内含子多的和内含子少的两个进化分支。在两个分支中均发现片段倍增现象,而串联倍增仅发现在内含子少的进化分支中。鉴定的Motif中部分为单子叶或某个物种所特有,表明在进化过程中有新的Motif产生。进化速率的计算显示倍增而来的基因对Ka/Ks比率小于1,部分CIPK的激酶区域有Ka/Ks>1的区域。拟南芥中的CIPK基因在胁迫下的表达聚类分析表明内含子多的和内含子少的部分CIPK基因具有相似前逆境胁迫响应。拟南芥中的CBL4-CIPK24复合体调节NHX7(SOS1),从而调节植物体内Na+含量,称之为SOS (Salt Overly Sensitive)信号通路,该信号通路在多种植物中被鉴定,耐盐树种胡杨PeNHX7已经被克隆。本研究利用酵母双杂交得出胡杨PeCIPK23a(拟南芥CIPK23的同源基因)与PeNHX7的C端尾部区域相互作用,而PeCIPK24a/b(拟南芥CIPK24勺同源基因)与PeNHX7无杂交信号。总之,本研究以比较基因组学手段分析CPA、CIPK家族,为植物钠氢逆转运体、CBL-CIPK信号通路提供了一些进化上和基因组学的特征,为下一步的功能鉴定打下基础,同时克隆胡杨PeNHX1-6基因,鉴定胡杨PeNHX7上游CIPK蛋白,进一步揭示了耐盐树种胡杨的耐盐分子机制。