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07 2023.04

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    园艺学院周扬课题组在《International Journal of Biological Macromolecules》上发表文章揭示盐生植物海马齿耐盐新机制

       近期,园艺学院周扬课题组在International Journal of Biological Macromolecules中科院一区TopIF2022=8.025)期刊在线发表了题为“Integrated metabolome, transcriptome analysis, and multi-flux full-length sequencing offer novel insights into the function of lignin biosynthesis as a Sesuvium portulacastrum response to salt stress”的研究论文,整合代谢组、全长转录组和RNA-seq技术揭示木质素合成途径在盐生植物海马齿耐盐性中的作用机制。

 

 

盐胁迫是限制全球农业生产的主要制约因素,全世界有9.5亿公顷土地受到盐胁迫的影响,世界20%以上的农业用地都受到不同程度盐渍化危害。而且由于次生盐渍化的影响,盐渍化土地面积还在不断增加。合理开发利用盐渍化农田,对于守住国家18亿亩耕地红线具有重要意义。而挖掘耐盐基因,利用现代分子生物学技术培育耐盐植物,是一种有效的利用盐渍化农田的方法。盐生植物由于具有较高耐盐能力,为挖掘耐盐基因提供了丰富的遗传资源。

海马齿是番杏科海马齿属盐生植物,主要生长在海边滩涂地,具有极强的耐盐性,课题组前期从海马齿中克隆了多个耐盐性基因,并进行了耐盐功能验证(Zhou et al., PLoS One, 2015; Zhou et al., Acta Physiol. Plant., 2018, 2023; Zhou et al., Plant Mol. Biol. Rep., 2018; Fan et al., Protoplasma, 2019; Fan et al., BMC Plant Biol., 2019),但从组学角度分析海马齿耐盐机制还未见报道。本研究基于前期对海马齿在不同盐浓度下处理不同时期进行生理指标的测定(李雨欣, 农业生物技术学报, 2022),选择800 mM NaCl处理6 hT6)和12 hT12)的海马齿根系进行分析。代谢组分析共检测到1017个代谢物,其中有130个差异代谢物,通过对这些代谢物进行深入分析,发现对香豆醇p-Coumaryl alcohol)含量在胁迫后上调明显,而对香豆醇是木质素生物合成的主要单体之一,推测木质素可能参与提高海马齿耐盐性的过程(图1)。

 

1盐胁迫下海马齿根系中的差异代谢物分析

由于缺乏海马齿基因组数据,本研究将不同胁迫下的样品混合进行了全长转录组测序,生成98.97 G全长转录组数据,包含34034541Subreads,其中N50平均长度为3243 bp。通过校正、去除冗余后,共得到39659 unigenes,平均长度为3196 bp,有38516 (97.12%)unigenes可以注释到七大公共数据库中。然后再以全长转录组数据为参考,对不同样品进行RNA-seq分析,CK VS T6组中共富集到了19838DEGs,其中有10460DEGs上调(UDEGs),9378DEGs下调(DDEGs);在CK VS T12组中共富集到了21975DEGs,其中有10335UDEGs11640DDEGs;在T6 T12比较组中共富集到了13731DEGs,有5861UDEGs7870DDEGs。在CK VS T6的对比中,上调表达基因的数量高于下调表达基因的数量,这表明在盐胁迫初期,基因表达活跃。差异基因的KEGG分析显示Phenylpropanoid biosynthesis是富集显著的途径,该途径参与木质素合成,表明木质素合成途径在耐盐性中起重要作用。

接下来,本研究对本质素生物合成途径中的代谢物和基因进行了联合分析,结果发现在盐胁迫下,木质素生物合成途径中的结构基因和代谢物发生显著的变化(图2)。在木质素合成途径中,有51DEGs与木质素生物合成相关。经盐处理后,发现该通路上游基因肉桂酰辅酶A还原酶基因(CCR)、反式肉桂酸4-单加氧酶基因(CYP73A)和4-香豆酰基喹酸酯(香豆酰基莽草酸酯)3’-单加氧酶(C3’H)基因表达量较高。咖啡酸.3- O -.甲基转移酶(COMT)和咖啡.酰辅酶A.-O-甲基.转移酶(CCoAOMT)等甲基.化酶在T6T12组中表达量较高这些结果表明,在盐胁迫下,海马齿可以激活木质素生成途径相关基因的上调表达,提高其耐盐性。代谢组分析表明,盐处理后木质素合成单体对香豆醇和芥子醇的含量增加。

采用HPLC技术测定了木质素合成单体对香豆醇和芥子醇的含量,结果表明:T6T12组芥子醇的含量分别比对照组提高了7.38倍和8.50倍,而T6T12组对香豆醇含量比对照组分别提高了3.44倍和4.16倍。根系中总木质素含量测定结果显示T6T12处理的木质素含量分别是对照的1.93倍和3.27倍(图2)。这些结果表明,木质素在根部的积累是海马齿抵御盐胁迫的一种适应性机制。

 

 

2盐胁迫下海马齿根系中木质素合成途径中的基因和代谢物变化

同时,本研究还对木质素合成途径中结构基因的转录因子进行预测,发现了64个潜在的转录因子可能参与对这些结构基因的调控。本研究结果揭示了木质素参与调控海马齿耐盐性的分子机制(图3)。

 

3海马齿根系木质素合成途径参与调控耐盐性

 

海南大学园艺学院周扬副教授为论文通讯作者,中国农科院棉花研究所李威副研究员和广东海洋大学江行玉教授为论文共同通讯作者。园艺学院在读硕士研究生李雨欣和已毕业硕士研究生张婷婷(现工作于襄阳市农业科学院)为论文共同第一作者。

 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.124222

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