类型a
作者与研究机构及发表信息
本研究的主要作者为陈艳琼（Yanqiong Chen）、林英凤（Yingfeng Lin）、张树标（Shubiao Zhang）、林忠远（Zhongyuan Lin，通讯作者）、陈松彪（Songbiao Chen，通讯作者）和王宗华（Zonghua Wang，通讯作者）。研究由闽江学院海洋生物与药物研究中心、福建农林大学农业学院等单位合作完成。论文于2023年11月1日发表在《Plants》期刊上。
学术背景与研究意义
钾离子（K+）是植物细胞中最重要的单价阳离子之一，占植物干重的2%至10%，对维持植物正常的生理生化过程至关重要。高亲和性钾转运蛋白（HAK，High-Affinity K+ Transporter）家族是植物中最主要的钾转运蛋白家族，在植物应对非生物胁迫过程中发挥关键作用。然而，在藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）这一耐盐碱作物中，HAK基因家族尚未得到系统研究。藜麦是一种四倍体一年生盐生植物，具有极强的耐寒、耐旱、耐盐碱能力，同时因其优异的营养价值而备受关注。因此，深入研究藜麦HAK基因家族的功能及其在盐碱胁迫中的表达模式，不仅有助于揭示藜麦抗逆性的分子机制，还为培育抗逆性强的作物品种提供了潜在靶点。
研究流程与方法
本研究主要包括以下几个步骤：
HAK基因家族成员的鉴定
通过比对拟南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻（Oryza sativa）的HAK基因序列，结合藜麦基因组数据库（C. quinoa P1614886 genome v1 pseudomolecule），共鉴定出30个藜麦HAK基因（命名为CqHAK1-CqHAK30）。这些基因分布在18条染色体上，表现出不均匀分布特征。此外，利用NCBI-SwissProt数据库和InterProScan工具验证了候选基因的保守结构域，并分析了其理化性质（如氨基酸长度、分子量、等电点等）。
进化关系与结构特征分析
构建了藜麦、拟南芥、甜菜（Beta vulgaris）和水稻的HAK蛋白系统发育树，将CqHAK家族分为四个主要簇（Cluster I-IV）。进一步分析了CqHAK蛋白的保守基序（Motif）、基因结构（外显子-内含子分布）以及顺式调控元件（Cis-regulatory elements）。结果显示，CqHAK蛋白包含多个保守基序，其中Motif 2在所有成员中均存在；基因结构则表现出较大差异，内含子数量从3到12不等。此外，顺式调控元件分析表明，多数CqHAK基因启动子区域富含与防御和胁迫相关的元件（如Box4、ABRE、ARE等）。
染色体定位与共线性分析
利用MCScanX工具分析了CqHAK基因在藜麦基因组中的染色体定位和共线性关系。结果发现，CqHAK基因在18条染色体上的分布不均匀，且存在两次串联重复事件（Tandem duplication events）和13次片段重复事件（Segmental duplication events）。此外，还鉴定了藜麦与拟南芥、甜菜之间的同源基因对，并计算了Ka/Ks值以评估选择压力。
组织特异性表达与胁迫响应分析
基于转录组数据，分析了CqHAK基因在不同组织（根、茎、叶、花序等）和多种非生物胁迫（干旱、高温、低磷、盐胁迫）下的表达模式。结果表明，CqHAK基因在不同组织中表现出显著的表达差异，且对非生物胁迫的响应也有所不同。例如，CqHAK2、CqHAK6、CqHAK7等基因在所有组织中均高表达，而CqHAK1则主要在花序中表达。
盐碱胁迫下的实时荧光定量PCR验证
选取25个CqHAK基因，通过qRT-PCR技术检测其在盐胁迫（300 mM NaCl）和碱胁迫（40 mM Na2CO3与NaHCO3混合液，pH=9.38）条件下的表达变化。实验设置对照组（CK）和处理组，分别在处理后1天和5天采集根和叶样本进行RNA提取和cDNA合成。
主要研究结果
1. HAK基因家族的鉴定与分类
本研究成功鉴定了30个CqHAK基因，并将其分为四个主要簇。每个簇内的成员表现出较高的序列相似性和功能保守性。例如，Cluster II和Cluster III的成员在多种组织中普遍高表达，而Cluster I和Cluster IV的成员表达水平较低。
基因结构与顺式调控元件分析
CqHAK基因的基因结构多样，内含子数量从3到12不等，且部分同源基因对（如CqHAK12/CqHAK22）表现出相似的基因结构。顺式调控元件分析表明，多数CqHAK基因启动子区域富含与防御和胁迫相关的元件，这可能与其在非生物胁迫下的表达调控有关。
染色体定位与共线性分析
CqHAK基因在18条染色体上的分布不均匀，且存在多次重复事件。这些重复事件可能是藜麦HAK基因家族快速扩张的重要原因。此外，Ka/Ks值分析表明，CqHAK基因经历了显著的纯化选择压力。
组织特异性表达与胁迫响应分析
转录组数据分析显示，CqHAK基因在不同组织中表现出显著的表达差异。例如，CqHAK1主要在花序中表达，而CqHAK2、CqHAK6等基因在所有组织中均高表达。此外，CqHAK基因对非生物胁迫的响应也有所不同。例如，CqHAK9在根部对多种胁迫均表现出诱导表达。
盐碱胁迫下的表达验证
qRT-PCR结果显示，在盐胁迫下，CqHAK1、CqHAK13、CqHAK19和CqHAK20在叶片中显著上调表达；在碱胁迫下，CqHAK1、CqHAK9、CqHAK13、CqHAK19和CqHAK20在叶片中显著上调表达，而CqHAK6、CqHAK9、CqHAK13、CqHAK23和CqHAK29在根部显著上调表达。值得注意的是，CqHAK13在盐胁迫和碱胁迫下均表现出显著诱导表达，提示其可能在藜麦抗逆性中发挥重要作用。
研究结论与价值
本研究首次系统鉴定了藜麦HAK基因家族，明确了其进化关系、基因结构、组织特异性表达模式及对盐碱胁迫的响应特征。研究结果为深入探讨HAK基因在藜麦抗逆性中的功能奠定了基础，同时也为培育耐盐碱作物品种提供了潜在靶点。
研究亮点
1. 首次全面鉴定了藜麦HAK基因家族，包括30个成员的系统分类、基因结构和进化关系。
2. 揭示了CqHAK基因在不同组织和非生物胁迫下的表达模式，特别是其在盐碱胁迫下的动态响应。
3. 发现CqHAK13在盐胁迫和碱胁迫下均显著诱导表达，提示其可能在藜麦抗逆性中发挥关键作用。
4. 提供了藜麦HAK基因家族的染色体定位、共线性关系及选择压力分析，为进一步研究其进化机制提供了重要线索。
其他有价值内容
本研究还提供了详细的实验方法和数据分析流程，包括基因鉴定、系统发育分析、基因结构解析、顺式调控元件预测、转录组数据分析及qRT-PCR验证等，为后续相关研究提供了参考。