张帅博，尹金鹏，王吉庆，肖怀娟，李猛
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0418
近日，《生物技术通报》在线发表了题为《甜瓜CmHXK基因家族的鉴定及响应非生物胁迫的表达分析》的研究报告。本研究通过对甜瓜基因组数据库进行分析，挖掘并鉴定CmHXK家族成员。通过对其基本性质、系统进化关系、基因结构、蛋白互作及其启动子上的作用元件进行综合分析，揭示甜瓜HXK家族成员结构和功能的多样性与复杂性。基于公共数据库进一步挖掘该家族成员在雄花、雌花、根、叶、果实和果实发育时期的表达，为该家族成员在果实发育和成熟中的功能验证提供参考。此外，着重探究该家族成员在甜瓜苗期对ABA、盐、干旱、低温等非生物胁迫的响应模式，为解析HXK基因在甜瓜抗性功能提供理论基础，同时为甜瓜的抗性育种提供基因资源。
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自1927年在酵母面包物中发现己糖激酶以来，该酶因其促进己糖磷酸化和细胞内传感蛋白的功能而备受关注，关于HXK蛋白的研究也逐渐成为热点。目前在不同植物中鉴定到HXK家族成员。本研究在甜瓜全基因组中鉴定出了6个HXK成员，分布在第2、4、5和8染色体上。为了确定CmHXK基因的进化过程，对其基因结构和保守基序进行了详细分析。结果表明，除CmHXK6外，均含有9个外显子与8个内含子，与拟南芥、玉米等物种研究结果相似。在所有CmHXK蛋白中均鉴定6个相同的保守基序，多序列对比显示，除CmHXK4与CmHXK6缺乏一个磷酸位点外，其余基因均具有2个磷酸位点、2个连接位点、1个腺苷结合位点和1个糖结合域，因此，推断CmHXK基因家族6个成员具有相似的生物学功能。表明己糖激酶在甜瓜进化过程中保持着较高程度的一致性。
预测的亚细胞定位显示，除CmHXK6位于胞质外，其余均位于叶绿体或线粒体，证实了CmHXK具有催化己糖分子分解和参与信号转导的双重功能。根据亚细胞定位可将植物HXK家族分为4个类型，即A型HXKs、B型HXKs和C型HXKs和D型HXKs。高等植物的HXK以A型和B型HXKs为主，A型HXKs主要位于叶绿体，而B型HXKs主要分布在线粒体，C型HXKs多位于胞质，D型HXKs仅存在苔藓属植物中。因CmHXK6亚细胞位于胞质，且与其他成员基因结构、蛋白保守基序和三维结构存在显著差异，推测CmHXK6为C型HXK。
研究表明，每个成员所含有的应答元件和数量各不相同。所有CmHXK均含有大量的光响应元件，表明HXK在甜瓜光信号调控中起到重要作用。激素响应元件中茉莉酸甲酯、乙烯、ABA响应元件相对较多，推测甜瓜HXK可能受相应激素的调控。此外，CmHXK启动子中还含有部分非生物胁迫响应元件，如LTR、STRE、WUN-motif，表明它们可能参与低温、应激、创伤等非生物胁迫。本研究证实CmHXKs参与脱落酸、干旱、盐、低温等非生物胁迫响应，其中CmHXK1、CmHXK3、CmHXK4受ABA强烈诱导，CmHXK1、CmHXK3、CmHXK6受盐胁迫强烈诱导，CmHXK1、CmHXK2、CmHXK3受干旱胁迫强烈诱导；CmHXK1和CmHXK6受低温强烈诱导，而CmHXK1均参与了上述4种非生物胁迫响应，其可能为甜瓜抵御环境变化的关键基因。
本研究通过深入分析CmHXK在雄花、雌花、根、叶和果实及不同颜色果肉中的表达谱，发现CmHXK3、CmHXK4和CmHXK6在果实发育过程呈下降趋势，表明其可能负调控果实的成熟。此外，绿果肉甜瓜和橙色果肉甜瓜分别为在呼吸越变性果实与非呼吸越变性果实，3个基因在两种果实中的表达趋势保持一致，推测它们参与果实成熟过程可能不依赖于乙烯途径。
在甜瓜全基因组共鉴定出6个CmHXK成员，各成员蛋白质的理化性质差异较大，但结构相对保守。启动子中光响应、激素响应和胁迫响应元件较多。CmHXK1、CmHXK2、CmHXK5在雄花、雌花、根、叶和果实中均有较高表达，且参与了果实的整个发育和成熟过程。CmHXK1参与脱落酸、干旱、盐、低温等非生物胁迫响应，可能在甜瓜抗逆中发挥关键作用，可作为后续研究的候选基因。
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