在意大利黑麦（Setaria italica）中全基因组范围内鉴定阳离子质子反向转运蛋白（CPA）基因家族，并对SiNHX3基因的潜在功能进行分析

本研究系统鉴定了 foxtail millet 中29个 CPA 基因，并揭示其分类及表达模式，功能验证发现 SiNHX3 通过调节离子稳态增强耐盐和低钾胁迫能力，为作物改良提供新资源。

　　

盛正|海燕铁|启玲王|尚莉柴|明晓王|思瑞王|滕国张|国范吴

西北师范大学生命科学学院，兰州，730070，中国

摘要：

阳离子/质子反向转运蛋白（CPA）超家族在Na⁺和K⁺的转运中起着核心作用。狐尾粟（Setaria italica）是一种以耐旱和耐盐性著称的谷物作物，但其CPA基因家族的系统研究尚不完善。在本研究中，我们从狐尾粟基因组中鉴定出29个SiCPA基因，并将其分为三个亚家族：KEA（4个成员）、NHX（7个成员）和CHX（18个成员）。通过系统地分析系统发育关系、蛋白质结构、染色体分布和表达模式，发现每个亚家族内部存在高度的序列保守性，并暗示这些基因可能参与应激反应和激素响应。表达谱分析显示，SiCPA基因在低K⁺和高盐压力下显著上调。SiNHX3被选为后续研究的对象。亚细胞定位研究表明，SiNHX3主要位于质膜上。在酵母中异源表达SiNHX3可增强其对NaCl和低K⁺条件的耐受性，这表明其具有pH调节的Na⁺/H⁺反向转运蛋白功能。在拟南芥中过表达SiNHX3可通过调节离子平衡来提高其对盐碱环境的耐受性。本研究首次全面分析了狐尾粟（Setaria italica L. Beauv）中的CPA基因家族，为阐明其在应激适应中的作用奠定了基础，并为提高作物的钾利用效率和耐盐性提供了潜在的遗传资源。

引言

进化适应使植物具备了一套应对环境压力的机制。离子转运在植物应激反应和各种应激过程的调节中至关重要（Danquah等，2014；Huang等，2012；Ji等，2013）。离子通道和转运蛋白对于维持植物体内的离子平衡和pH调节至关重要。CPA（阳离子/质子反向转运蛋白）超家族是一类重要的离子转运蛋白，包含CPA1和CPA2两个亚群（Isayenkov等，2020；Islam等，2025；Ye等，2013）。CPA1家族与原核生物的Nhap基因同源，其中包含Na⁺/H⁺交换蛋白（NHX），这是最早被研究的植物阳离子/质子反向转运蛋白（Bassil等，2011, 2012；Brett等，2005）。研究表明，植物中的NHX蛋白有三种类型：质膜型、内体/高尔基网络（TGN）型和液泡型（Brett等，2005；Han等，2025）。NHX基因家族通过增强Na⁺的区室化或外排来减轻离子毒性，其功能不仅限于离子平衡，还涉及与抗氧化系统、渗透调节因子和信号网络的协同作用（Karim等，2021；Reguera等，2014；Sari，2025）。CPA2家族由KEA（K⁺外排转运蛋白）和CHX（阳离子/H⁺交换蛋白）两个基因家族组成。对这些基因的研究尚有限，其具体功能仍有待进一步确定。KEA是H⁺耦合的共转运蛋白，其生化作用是将K⁺跨膜转运以交换质子（H⁺）（Aranda-Sicilia等，2012；Zheng等，2013）。植物中的KEA在单价阳离子转运、pH平衡、渗透调节、质体分裂、光合作用效率调控和耐盐性方面发挥重要作用（Aranda-Sicilia等，2016；Kunz等，2014；Zheng等，2022；Zhu等，2018）。CHX蛋白位于质膜或内膜上，可调节K⁺/H⁺的转运过程以及细胞内pH值，在花粉管生长和向胚珠的定向运输中起关键作用（Lu等，2011；Nampei等，2025）。与其他两个基因家族不同，CHX在植物中高度保守，对开花植物的授粉和繁殖具有重要意义（Ye等，2013）。

在植物中，NHX3同源基因常常表现出独特的表达模式或功能分化，表明它们在植物适应性进化中具有特殊地位。在拟南芥（Arabidopsis thaliana L. Heynh.）中，AtNHX3定位于液泡膜上，参与液泡pH调节和离子平衡的维持。在盐胁迫下，该基因与AtNHX1具有功能冗余，但发挥不同的作用（Liu等，2010）。在水稻中，OsNHX3参与液泡中的Na⁺区室化，其表达显著提高了植物的耐盐性（Fukuda等，2011）。在小麦中，TaNHX3对盐胁迫有响应，同时也与耐旱性相关（Lu等，2014）。在番茄中，SlNHX3的表达受盐、干旱和脱落酸（ABA）的诱导，表明它可能在应激信号通路中起枢纽作用（Cavusoglu等，2023）。此外，有证据表明NHX3可能在K⁺平衡维持中起辅助作用，类似于NHX2，但具体机制尚不清楚。因此，需要进一步阐明NHX3在不同应激条件下的表达模式、调控网络及其与其他离子转运蛋白的协同机制。

狐尾粟（Setaria italica L. Beauv）是一种在中国北方广泛种植的耐逆性谷物作物，具有生长周期短、株型紧凑以及耐旱和耐盐的特性（Yuan等，2025）。它是研究单子叶植物对非生物胁迫适应机制的关键模型（Yang等，2020）。尽管CPA基因家族已在拟南芥、水稻（Oryza sativa L.）和玉米（Zea mays L.）等模式植物和作物中进行了系统研究，证实了其在调节Na⁺/H⁺和K⁺转运以及维持盐胁迫下的离子和pH平衡中的关键作用，但在Setaria italica中CPA基因家族的系统鉴定及其在盐碱和低钾胁迫下的功能仍不明确（Khan等，2018；Kong等，2021；Sharma等，2020；Wang等，2020）。此外，Setaria italica中NHX3的功能特征也研究不足。因此，我们研究了SiNHX3在盐碱和低钾条件下的功能，以加深对其在作物耐逆性中的潜在作用的理解，并为其改良提供遗传资源。

本研究的目标是鉴定Setaria italica CPA基因家族的成员。通过全基因组分析，我们阐明了该基因家族的系统发育关系、基因结构和启动子顺式作用元件，并利用低钾和高盐胁迫下的表达谱分析鉴定了关键响应基因。此外，通过酵母异源表达和拟南芥过表达系统验证了SiNHX3在盐、碱和低钾胁迫下的功能。这项工作为更深入理解CPA基因在草本植物应激抵抗机制中的作用奠定了基础，并为改良耐逆性作物提供了新的遗传资源。

章节片段

Setaria italica CPA家族成员的鉴定和染色体定位

通过基于同源性的方法鉴定了Setaria italica中的CPA基因家族成员。首先从TAIR数据库（https://www.arabidopsis.org/）中检索了42个Arabidopsis thaliana的CPA蛋白序列作为种子序列，然后从Ensemble Plants数据库（https://plants.ensembl.org/index.html）下载了Setaria italica的全基因组序列和GFF3注释文件。利用这些数据，使用TBtools软件进行了局部BLAST搜索。

Setaria italica基因组中CPA家族成员的鉴定和基本特征

以Arabidopsis thaliana的CPA蛋白序列为查询，在Setaria italica基因组中通过同源性搜索鉴定了29个潜在的CPA同源基因。利用Pfam数据库确认了所有候选蛋白中存在保守的阳离子/质子反向转运蛋白（CPA）结构域。根据它们的染色体分布，将这些基因命名为SiKEA1-SiKEA4、SiNHX1-SiNHX7和SiCHX1-SiCHX18。

SiCPA基因家族的基本特征如下：

讨论

阳离子/质子反向转运蛋白（CPAs）是一类重要的转运蛋白超家族，参与维持细胞离子平衡和pH值稳定，这些过程对植物生长和适应不良环境至关重要（Blumwald等，2000；Pardo等，2006）。跨植物物种的CPA家族全基因组分析显示了广泛的多样性，反映了与不同膜系统和应激反应相关的功能特化（Akbudak等，2022；

结论

CPA家族在调节植物中的离子和pH平衡中起着核心作用。本研究系统地鉴定了Setaria italica中的29个CPA基因，为这种转运蛋白家族在耐逆性谷物作物中的作用提供了全面的基因组框架。表达分析显示，SiCPA基因在盐和碱胁迫下表现出协调的、亚家族特异性的转录反应，表明该家族内部存在功能分化。

CRediT作者贡献声明

思瑞王：研究工作。滕国张：写作 – 审稿与编辑。国范吴：写作 – 审稿与编辑、监督。盛正：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、资金获取、概念构思。海燕铁：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、概念构思。启玲王：写作 – 初稿撰写、可视化、概念构思。尚莉柴：写作 – 审稿与编辑。明晓王：研究工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）（31860054）、甘肃省自然科学基金（25JRRA017）以及西北师范大学的研究生研究资助计划（2023KYZZ-S167）的支持。

利益冲突声明

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