氫氣對(duì)馬齒莧根鹽脅迫影響的轉(zhuǎn)錄組分析

文章來(lái)源：admin發(fā)布日期：2024-02-19 09:26瀏覽次數(shù)：

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馬齒莧的發(fā)育可能會(huì)受到高鹽濃度的影響。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氫氣增強(qiáng)植物的耐鹽性。本研究的目的是調(diào)查氫氣對(duì)鹽脅迫下馬齒莧根系生長(zhǎng)作用及分子機(jī)制分析，用轉(zhuǎn)錄組法研究氫氣對(duì)馬齒莧耐鹽性的影響。

在水培條件下，氫氣顯著降低電解液泄漏和丙二醛含量，顯著增強(qiáng)氯化鈉脅迫下馬齒莧根系中超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶和抗壞血酸過(guò)氧化物酶的活性。轉(zhuǎn)錄組分析表明，氯化鈉脅迫顯著影響馬齒莧根差異基因的表達(dá)。氫氣的添加對(duì)差異基因的表達(dá)有顯著影響，特別是在鹽脅迫下。qRT-PCR分析用于確認(rèn)RNA-seq結(jié)果。GO和KEGG分析表明，DEGs主要參與活性氧（ROS）代謝、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活性。在轉(zhuǎn)錄水平上，ROS積累和清除；生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、脫落酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；蔗糖合成和分解代謝，以及植物細(xì)胞壁成分的合成可能在氫氣的影響的耐鹽效應(yīng)中起關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于更好地理解氫氣的作用具有重要意義。為植物耐鹽性提供特異性數(shù)據(jù)，為馬齒莧耐鹽基因的深入鑒定提供具體數(shù)據(jù)。

鹽脅迫是嚴(yán)重影響作物發(fā)育和產(chǎn)量的主要非生物脅迫。世界上有超過(guò)1億公頃的土地被鹽堿化。隨著全球氣溫的升高和耕地的減少，研究人員越來(lái)越關(guān)注土壤鹽脅迫的原因以及如何提高作物的耐鹽性。馬齒莧是一種重要的藥用和食品同源植物和一種普遍分布的鹽生植物，對(duì)鹽脅迫表現(xiàn)出很高的耐受性，可以有效地吸收基質(zhì)中的鹽。嚴(yán)重的鹽脅迫會(huì)影響馬齒莧的生長(zhǎng)并降低其產(chǎn)量和質(zhì)量。根不僅是植物的重要器官，也是非生物脅迫信號(hào)誘導(dǎo)和轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要組成部分。然而，與地上部分相比，鹽脅迫對(duì)植物根系生長(zhǎng)的影響因素及相關(guān)生理和分子機(jī)制的報(bào)道較少。據(jù)觀察，鹽脅迫顯著縮短了柑橘和棉花幼苗（多毛棉）的根長(zhǎng)，氫氣可以調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性，影響植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在葉和根中的合成和分布，并影響柑橘根系中的基因表達(dá)。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)已被廣泛用于研究植物耐鹽性的機(jī)制。已經(jīng)證實(shí)，鹽反應(yīng)基因的表達(dá)和轉(zhuǎn)錄在植物耐受鹽的能力中起著至關(guān)重要的作用。大量研究表明，鹽脅迫由多個(gè)基因控制。鹽脅迫誘導(dǎo)的ROS增加導(dǎo)致氧化應(yīng)激和細(xì)胞膜損傷。植物通過(guò)調(diào)節(jié)抗氧化酶基因表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、滲透壓和離子穩(wěn)態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。Xie等人（2018）發(fā)現(xiàn)ROS產(chǎn)生和清除相關(guān)基因的差異表達(dá)與柑橘（Citrus junos）的耐鹽性有關(guān)。轉(zhuǎn)基因馬鈴薯（Solanum tuberosum）植物過(guò)表達(dá)CuZn超氧化物歧化酶基因PaSOD和抗壞血酸過(guò)氧化物基因RaAPX表現(xiàn)出增強(qiáng)的鹽脅迫耐受性?？箟难徇^(guò)氧化物酶基因OsAPXa或OsAPXb和組成型谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因OsGSTU4表達(dá)的過(guò)表達(dá)分別增強(qiáng)了水稻（水稻）和擬南芥的耐鹽性。

許多植物激素是重要的內(nèi)源性分子，以提高植物對(duì)鹽脅迫的耐受性和敏感性。脫落酸（ABA）、赤霉素（GA）和吲哚-3-乙酸（IAA）是鹽脅迫反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。研究表明，根系中的ABA可以保護(hù)菊芋（Helianthus tuberosus）由于鹽脅迫而的光合系統(tǒng)。植物對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)也與ABA合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。在柑橘的鹽脅迫下，發(fā)現(xiàn)2個(gè)ABA合成基因NCED和ABA信號(hào)基因、PP2018C和PYR/PYL/RCAR在柑橘根中差異表達(dá)。IAA信號(hào)傳導(dǎo)和植物耐鹽性之間已經(jīng)建立了聯(lián)系。通過(guò)RNA-seq，Xie等人發(fā)現(xiàn)與IAA分布和降解以及生長(zhǎng)素反應(yīng)相關(guān)的基因受到柑橘根系鹽脅迫的顯著調(diào)節(jié)。Cackett等人還發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素參與維持?jǐn)M南芥鹽水條件的生長(zhǎng)，這與“對(duì)生長(zhǎng)素的反應(yīng)”途徑的基因富集有關(guān)。

最近的研究表明，氫氣作為一種信號(hào)分子，在調(diào)節(jié)植物發(fā)育和生長(zhǎng)方面發(fā)揮作用，可以增加植物對(duì)非生物脅迫源的恢復(fù)力。然而，氫氣關(guān)于鹽脅迫馬齒莧的發(fā)展和生長(zhǎng)及其相關(guān)機(jī)制尚未描述。由于鹽脅迫，馬齒莧抗氧化酶的活性顯著改變。Xing等人（2020）發(fā)現(xiàn)馬齒莧的耐鹽性與葉片中參與乙烯和ABA合成的基因的差異表達(dá)有關(guān)。因此，一個(gè)重要的假設(shè)需要驗(yàn)證，即氫氣通過(guò)影響重要基因的差異表達(dá)，特別是抗氧化酶和激素合成信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因的差異表達(dá)，可提高馬齒莧的耐鹽性?；谥暗难芯浚@項(xiàng)研究是在250 mM 氯化鈉脅迫下進(jìn)行的，模擬了浮動(dòng)水培系統(tǒng)（無(wú)曝氣），以及外源性氫氣分析了馬齒莧的耐鹽性及其分子機(jī)制。研究結(jié)果對(duì)于實(shí)現(xiàn)根系對(duì)植物耐鹽性的分子機(jī)制和氫氣在此過(guò)程中。

結(jié)果表明，氯化鈉脅迫下氫水添加通過(guò)提高根細(xì)胞膜的完整性、減少膜脂質(zhì)過(guò)氧化和增強(qiáng)抗氧化酶的活性，顯著提高了馬齒莧鹽脅迫的抵抗力。轉(zhuǎn)錄組研究證實(shí)，氯化鈉脅迫下氫水添加顯著影響抗氧化酶相關(guān)基因，包括POD、SOD、CAT和GPX相關(guān)基因，以及生長(zhǎng)素和ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因表達(dá)。還發(fā)現(xiàn)在氯化鈉脅迫下，氫水對(duì)UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活性途徑的33個(gè)基因上調(diào)。這種基因的差異表達(dá)，特別是ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，可能是馬齒莧中氫水增加耐鹽性發(fā)展的重要原因。這項(xiàng)工作豐富了氫氣分子機(jī)制的研究鹽脅迫作用，將為耐鹽馬齒莧種質(zhì)資源的篩選提供眾多候選基因。

作者來(lái)自上海交通大學(xué)農(nóng)學(xué)院

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