植物在其生长和发育过程中会不断遇到非生物和生物胁迫因素，包括干旱、盐碱、极端温度、钾离子（K+）缺乏以及害虫和病原体侵染（Peck和Mittler 2020）。植物进化出了多种策略来适应这些胁迫（Tang等人2020）。钙是所有植物健康生长和发育所需的重要大量营养素，被认为是参与多种生理过程的第二信使（Luan和Wang 2021；Qiuyan Dong 2022）。与能够逃避非生物胁迫的移动生物不同，植物进化出了复杂的细胞机制来调节细胞内钙浓度并协调对外部环境的响应。钙离子的变化在持续时间、振荡频率、幅度和空间分布上各不相同，这使得植物中的钙信号传导变得复杂（Zhang等人2020）。这些变化由植物细胞中的四类主要钙传感器感知，即钙依赖性蛋白激酶（CPKs）、钙调神经磷酸酶B样亚基、钙调蛋白（CaM）和钙调蛋白样蛋白（CML）。感知到钙离子浓度变化后，这些蛋白与下游靶蛋白相互作用，引发植物对外部环境变化的适应性生理和代谢改变（Scholz等人2015）。
钙传感器CBL是一种独特的小蛋白，仅存在于植物中，与酵母和动物中的CNB（钙调神经磷酸酶B亚基）具有最高的相似性（Kudla等人2018）。CBL具有由四个EF-hand基序组成的钙结合结构域，每个基序包含一个α-螺旋-环-α-螺旋结构，能够结合Ca2+（Ma等人2020）。这个环是一个保守的序列，由12个氨基酸组成，即DKDGDGKIDFEE。位置1(X)、3(Y)、5(Z)、7(?X)、9(?Y)和12(?Z)的氨基酸具有高度保守性，负责与Ca2+的结合（Zhang等人2018）。研究表明CBL在调节多种非生物胁迫中起重要作用。它通过与相互作用伙伴——丝氨酸/苏氨酸激酶结合来调节靶蛋白，从而激活应激响应。然而，由于植物中存在多种不同的CBL-CIPK组合系统以及CBL与CIPK之间相互作用的特异性，CBL-CIPK信号通路表现出多样性。CBL-CIPK的信号成分参与植物内的多种信号转导和生理生化活动，调节植物的生长和发育，并响应生物和非生物胁迫。
植物利用复杂的信号网络来应对非生物胁迫，其中盐过敏感（SOS）通路是盐胁迫响应的典型例子。在模式植物拟南芥中，AtCBL4-AtCIPK24复合物主要在根部磷酸化并激活AtSOS1以排除过量的Na+（Steinhorst等人2022），而AtCBL10-AtCIPK24主要参与茎部的盐胁迫防御反应（You等人2023），最终通过地上和地下部分的共同作用提高拟南芥的耐盐性（Ji等人2013）。SOS通路不仅存在于拟南芥中，也存在于许多其他植物中，如水稻、苹果和杨树。除了SOS通路外，还发现了CBL-CIPK在盐胁迫中的作用。水稻中的OsCBL2/3-OsCIPK17复合物通过促进Na+进入液泡来增强细胞离子稳态（Qin等人2024）。在杨树中，盐胁迫下PeCBL1与PeCIPK24、PeCIPK25和PeCIPK26相互作用，调节Na+/K+的稳态（Zhang等人2013）。
在低钾胁迫下，AtCIPK23通过与AtCBL1和AtCBL9蛋白相互作用来正向调节植物对钾的吸收（Xu等人2006）。同样，水稻中的钾通道OsAKT1也由OsCBL1-OsCIPK23复合物激活（Li等人2014）。此外，葡萄中的VvK1.2通道介导的钾吸收依赖于VvCBL1-VvCIPK4和VvCBL2-VvCIPK3复合物（Cuellar等人2013）。
干旱促进AtCBL1/CBL9与AtCIPK1之间的相互作用，而AtCBL1/9-AtCIPK1-PYLs（类似吡拉巴辛的抗性蛋白）功能模块通过反馈机制负向调节植物的干旱胁迫响应（You等人2023）。AtCBL5的过表达也能以独立于脱落酸（ABA）的方式增强植物对干旱和高盐的耐受性（Xiang等人2007）。在棉花中，GhCBL2A1-GhCIPK6D3和GhCBL1A1-GhCIPK6D1复合物作为干旱抗性的拮抗调节因子，它们通过调节保卫细胞中的钾通量来共同调节气孔运动，前者起正向作用，后者起负向作用（Sun等人2024）。在Cajanus cajan（L.）中，CcCIPK14-CcCBL1复合物通过调节黄酮类化合物的生物合成来帮助植物耐受干旱（Meng等人2021）。
关于CBL蛋白在生物胁迫响应中的研究揭示了它们在植物免疫中的作用。在小麦中，两个不同的复合物（一个包含TaCBL4和TaCIPK5，另一个包含TaCIPK10）被报道可以增强条锈病抗性，其中TaCBL4-TaCIPK5的功能需要活性氧（ROS）信号传导（Liu等人，2018，Liu等人，2019）。在马铃薯中，StCBL3激活StCIPK7形成复合物，负向调节对Phytophthora的抗性（Sun等人2024）。
全基因组研究在多种植物中发现了CBL基因家族（Mao等人，2023；Sun等人，2021；Zhang等人，2008；Zhang等人，2011；Zhang等人，2014），包括水稻（Oryza sativa）（Gu等人，2008；Kolukisaoglu等人，2004）、玉米（Zhang等人，2016）和小麦（Adavi等人，2023），揭示了基因数量和序列的差异。然而，大多数比较分析仍然停留在描述性阶段，主要关注系统发育和序列保守性，而对于CBL基因如何功能分化以贡献于禾本科作物的不同耐盐能力则缺乏深入理解。这一差距限制了我们利用抗胁迫遗传资源进行作物改良的能力。
大麦具有出色的耐盐性，非常适合研究这个问题。研究其CBL家族不仅仅是一个基因组编目工作，而是理解这一基因家族在禾本科植物中进化和功能特征的关键步骤。它有望揭示进化压力如何塑造了这种高度适应胁迫的谷物的CBL信号网络，为解释功能分化并识别耐盐性的关键遗传决定因素提供有价值的框架。
在本研究中，我们对大麦中的CBL基因家族进行了全面的基因组鉴定和特征分析。我们分析了它们的系统发育关系、基因结构、保守基序、染色体位置、与其他关键禾本科物种（包括小麦和水稻）的共线性以及启动子顺式元件。然后，我们研究了它们的组织特异性和非生物胁迫响应表达模式，特别关注盐胁迫。重要的是，我们通过盐胁迫下对核心候选基因HvCBL4-1的功能验证来补充这一生物信息学框架。通过将我们的发现置于比较进化的背景下，本研究旨在提供关于禾本科植物中功能分化如何塑造大麦中CBL库的重要见解，为未来的功能研究和针对性利用抗胁迫遗传资源奠定基础。
