科研 | Front Plant Sci：长期干旱胁迫下烟草转录组及植物激素和光合作用的调控网络 / 开普饭

编译：Yong-qin，编辑：夏甘草、江舜尧。

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导读

物种的遗传变异包括插入/缺失变异（PAV）、拷贝数变异（CNV）等，在农作物性状的遗传特性中起重要作用，而泛基因组是研究遗传变异的重要思路，它倾向于构建基因组图形，准确识别基因分型及群体变异。大豆是一种重要的油料和饲料作物，栽培大豆（Glycine max）是从野生大豆（Glycine soja）驯化得来。目前大豆培育超过6万种品种，首个大豆全基因组是Williams 82（Wm82），比较基因组发现野生大豆和栽培大豆有广泛的遗传多样性，不同地理区域的大豆也存在遗传变异，目前中国的两个大豆全基因组是栽培大豆ZH13及野生大豆W05，与Wm82存在大量基因结构变异。

干旱是植物生长发育的重要非生物胁迫，引起多种生理反应（萎蔫、代谢异常、生长停滞），且干旱的强度和持续时间决定了渗透胁迫造成的为害程度。干旱条件下，植株氧化应激包括毒性活性氧积累和抗氧化系统，光合作用的CO2同化作用减弱而影响糖合成，脱落酸和生长素可影响基因表达，且不同遗传背景对干旱胁迫的耐受性不同。研究表明干旱条件诱导激素信号基因和转录因子的表达差异，长期干旱条件使植物碳水化合物代谢、信号转导基因表达差异。

烟草的多个全基因组序列以及高通量转录组分析有助于研究烟草的基因表达调控，以及品种间的调控差异。目前烤烟（Nicotiana tabacum K326）和香料烟（Basma Xanthi, BX）是最常见的烟草品种，且有不同的耐旱性，通过对这两个品种的转录组比较有助于阐明烟草耐旱分子机制。

本研究比较BX和K326品种在长期干旱条件下的叶片表型、激素水平、转录组。转录组采用高通量转录组测序（RNA-seq）与全长转录组测序（Iso-Seq）结合，在不同时间阶段探究不同品种对干旱胁迫的相同和不同响应。结果表明多个激素通路和光合作用基因的调控影响不同品种的耐旱性，其中蛋白磷酸酶2C基因是关键枢纽基因。本研究阐明了干旱胁迫对烟草光合作用和激素信号的基因表达调控网络，以及对不同品种耐旱性的影响。

论文ID

原名：Analysis of Dynamic Global Transcriptional Atlas Reveals Common Regulatory Networks of Hormones and Photosynthesis Across Nicotiana Varieties in Response to Long-Term Drought

译名：长期干旱胁迫下烟草转录组及植物激素和光合作用的调控网络

期刊：Frontiers in Plant Science

IF：4.106

发表时间：2020.05

通讯作者：符云鹏

通讯作者单位：河南农业大学烟草学院

DOI号：10.3389/fpls.2020.00672

实验设计

结果

1、两个烟草品种响应干旱的表型

本研究对干旱处理（相对含水量45-50%）的烟草进行为期1个月观察（图1A），在干旱条件下品种BX开花成功，而K326开花失败，因此BX比K326耐旱性更强。干旱胁迫使K326和BX均出现株高降低，在5d后表现明显（图1C-D;H-I）。为避免株高误差，每株烟草标记第4和5叶片（图1B），进行观察。干旱条件下两品种均出现叶片长、宽缩短，但BX品种叶片宽度无明显变化（图1F-G）。干旱条件不影响叶片总数（图1E）。两个品种在干旱条件15d下的生物质能均显著降低~24%。综上，干旱胁迫抑制了烟草叶片的垂直生长和叶片扩张，而BX品种的耐旱性高于K326。

图1 干旱胁迫对K326和BX的表型影响。A：实验采样周期；B：烟草第4、5叶进行标记；C：干旱2d的植株；D-E：株高、叶片数变化；F-G：叶长、也宽变化；H：K326干旱15d后的表型；I：BX干旱15d后的表型。

2、干旱胁迫下的差异表达基因分析

本研究对每个品种分析27个叶片RNA样品（图1A，3次生物学重复），RNA-seq的结果80-86% reads拼接至参考基因组，用TopHat2计算基因表达水平。全长Iso-seq发现~2500个基因的外显子跳跃以及5500个基因的内含子保留。

为揭示干旱胁迫下的差异表达基因，本研究对比同一时期干旱和对照样品的转录本。结果表明K326品种干旱5d的差异表达基因比干旱5-30d的差异表达基因多，说明干旱早期造成的转录调控影响更大（图2A），而且4个时间阶段只要2个共有的差异表达基因（图2B），说明表达调控是受时间影响的。相比K326，BX的差异表达基因较少，大多数出现在干旱15d后，且4个时间阶段没有共有的差异表达基因（图2D）。对比两个品种，各个时期各有29、8、50、19个相同的差异表达基因，说明品种间有部分相同的调控模式。对比相邻两个时间阶段的差异表达基因，K326在2d及5d的共有差异表达基因较多，而BX各时间阶段的共有差异表达基因数量相似（图2C）。可推测，耐旱品种在干旱早期的基因表达变化较少。

为进一步分析差异表达基因的作用，本研究采用GO富集分析并对各个时期对比。结果表明在细胞成分水平，基因富集于'光合作用’和'叶绿体’；在分子功能水平，基因富集于'酶活性’、'转运蛋白’、'ATP结合’；在生物学进程水平，富集于'氧化还原过程’、'缺水反应’、'胁迫应答’。同时，本研究根据KEGG对差异表达基因参与的代谢通路富集。K326品种中，干旱2d时光合作用途径发生改变，5d时内质网的蛋白质加工、半乳糖代谢途径显著变化，15d时类黄酮生物合成途径、卟啉和叶绿素代谢途径显著富集，30d时精氨酸和脯氨酸代谢、氮代谢、乙醛酸和二羟酸代谢、硒化合物代谢途径富集。BX品种中，干旱2d时富集于植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、戊糖和葡萄糖酸转化途径，5d时类胡萝卜素合成途径富集，15d时苯丙醇生物合成途径富集，30d时甘油脂代谢、维生素B6代谢、内质网蛋白加工、氨基糖和核苷酸糖代谢途径富集。

图2 烟草K326和BX在各时间阶段对干旱响应的差异表达基因。A：各个时期的差异表达基因，Common表示品种间共有的差异表达基因；B：K326各个时期共有的差异表达基因；C：相邻时期共有的差异表达基因；D：BX各个时期共有的差异表达基因。

3、干旱胁迫下的光合作用途径的基因表达调控

在K326和BX品种中，分别发现56和11个光合作用相关的差异表达基因，表明K326的光合作用影响较大。其中包括7个共有的编码蛋白，表明两品种光合作用有相同的表达调控。编码蛋白包括质体蓝素、铁氧化还原蛋白、光系统Ⅰ亚基Ⅵ、光系统Ⅱ叶绿素脱辅基蛋白、光捕获复合体Ⅰ叶绿素结合蛋白3、光捕获复合体Ⅱ叶绿素结合蛋白4、光系统Ⅰ亚基PsaO。干旱胁迫降低了光合作用途径中多数的基因表达水平，但有个别基因表达上调。K326中，光系统Ⅱ蛋白基因（0001791g0030、0000134g0030）、铁氧化还原蛋白基因（0009833g0010、0013140g0020）在干旱早期表达上调。BX中，铁氧化还原蛋白基因（N_34854）、光系统Ⅱ叶绿素载脂蛋白基因（N_32233）表达上调。

4、干旱胁迫下的激素信号转导网络的基因表达调控

在K326和BX品种中，分别发现51和50个与植物激素相关的差异表达基因，包括脱落酸、生长素、细胞分裂素、赤霉素、油菜素内酯、茉莉酸、乙烯（图3）。差异表达基因中，多数的编码基因为转录因子。植物激素水杨酸途径中，BX中未发现差异表达基因，而K326中发现2个差异表达基因，分别编码TGA转录因子和病程相关蛋白PR1。植物激素通路中脱落酸和生长素途径富集较多，包括磷酸酶PP2C和ABF转录因子表达上调，多个脱落酸受体基因在K326中表达下调而在BX中表达无差异，多个生长素蛋白基因在干旱胁迫早期表达上调，而BX中有2个生长素基因下调。对激素含量的测定表明，烟草中生长素和脱落酸是含量最高的激素，且生长素在干旱条件下含量显著提高，脱落酸在干旱2d和15d时显著增加。

为探究植物激素通路的基因表达调控，本研究进一步分析差异表达基因和激素水平的相关性。结果表明，在品种K326中，干旱胁迫影响脱落酸和生长素/水杨酸通路的互作，多数磷酸酶基因与生长素受体基因共同负表达。在品种BX中，干旱条件下生长素信号基因和磷酸酶基因的负调控关系不明显，而磷酸酶基因表达与赤霉素水平正相关。

本研究通过Cytoscape构建干旱胁迫的生长素、脱落酸、赤霉素、油菜素内酯、细胞分裂素的信号网络（图4）。在信号网络中，磷酸酶基因与生长素途径的SnRK2基因（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）、赤霉素途径的GID基因共表达，与细胞分裂素途径基因A-ARR、油菜素内酯通路基因BZR表达负相关。因此，磷酸酶基因PP2C是共同激素信号通路的关键枢纽。

图3 干旱胁迫下的植物激素信号通路。A-B：K326/BX与激素通路相关的差异表达基因；C：KEGG激素信号通路富集；D：脱落酸、生长素、细胞分裂素、赤霉素、油菜素内酯、茉莉酸含量。

图4 干旱胁迫下的激素信号调控网络。

讨论

本研究认为长期干旱胁迫对植物各发育阶段造成严重损害，而短期干旱会引起植物早期响应，损害较小。本研究从烟草品种间相同和不同的干旱响应的基因表达调控，揭示了品种的耐旱性机制，其中磷酸酶基因PP2C是激素信号通路重要的调控基因。许多植物物种通过调节气孔闭合和蒸腾作用响应短期干旱，而长期干旱时主要通过根系对土壤水分吸收来响应，研究表明长期干旱促进了植物根系生长提高耐旱性。本研究结果通过差异表达基因的表达模式和GO富集，构建不同干旱胁迫时期响应的动态表达调控，结果表明烟草耐旱品种在干旱胁迫早期的差异表达基因较少，即对干旱的敏感性较低。先前研究表明植物响应干旱的途径包括活性氧积累、光合作用减弱、生长素含量降低等，本研究发现了差异表达差异表达基因与激素水平之间的联系，且一些差异基因与品种相关，这表明先前单一品种研究的局限性。

目前多数干旱胁迫研究采用短期干旱处理，本研究提出长期干旱胁迫研究及多个品种的对比十分重要。本研究对烟草K326和BX两个品种进行为期1个月干旱胁迫，测定激素水平和转录水平变化。结果表明脱落酸和生长素信号通路在长期干旱胁迫中起关键作用，磷酸酶基因PP2C是关键基因。干旱胁迫下烟草光合作用途径也发生改变，且不同品种具有差异。因此，长期干旱胁迫使植物激素和光合作用的基因调控发生变化，且品种间具有差异，本研究促进了对植物干旱胁迫的基因表达调控的认知。

2 重磅综述 | Cell：非编码RNAs在肿瘤学中的作用（IF=36.216）

科研 | Front Plant Sci：长期干旱胁迫下烟草转录组及植物激素和光合作用的调控网络

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