前言

鹽度是影響全球作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量的主要非生物脅迫。據(jù)估計(jì)，超過(guò) 20% 的耕地受到鹽度的影響，而且隨著氣候變化，該問(wèn)題將繼續(xù)惡化。因此，了解作物耐鹽性的分子機(jī)制對(duì)于促進(jìn)耐鹽作物的開(kāi)發(fā)和栽培，保障全球糧食安全具有重要意義。

水稻是全球最重要的作物之一，是數(shù)十億人的主食，尤其是亞洲國(guó)家的人。它是一種對(duì)鹽脅迫高度敏感的糖類植物，但旱稻對(duì)鹽脅迫的敏感性更為嚴(yán)重，因?yàn)樗偸欠N植在雨養(yǎng)農(nóng)田中。為了確保不斷增長(zhǎng)的世界人口的糧食供應(yīng)，提高水稻作物的耐鹽性至關(guān)重要。因此，探索耐鹽水稻新種質(zhì)，了解其分子機(jī)制，對(duì)培育耐鹽水稻至關(guān)重要。

2022年9月,上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所劉成洪、陳志偉團(tuán)隊(duì)（一作：周龍華博士）在Frontiers in plant science期刊發(fā)表了題為 “Integrated analysis of transcriptome and metabolome reveals molecular mechanisms of salt tolerance in seedlings of upland rice landrace 17SM-19”的研究成果，通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)研究方法，研究了旱稻地方品種 17SM-19 耐鹽性的分子機(jī)制，比較鹽脅迫抑制幼苗生長(zhǎng)前后基因和代謝物的差異，這項(xiàng)工作將進(jìn)一步豐富我們對(duì)水稻耐鹽分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)，也有助于更有效地利用旱稻地方品種17SM-19。

中文標(biāo)題：轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的綜合分析揭示了旱稻地方品種17SM-19幼苗耐鹽性的分子機(jī)制

研究對(duì)象：水稻幼苗

發(fā)表期刊：Frontiers in plant science

影響因子：6.627

發(fā)表時(shí)間：2022.9.14

發(fā)表單位：上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所

運(yùn)用組學(xué)技術(shù)：轉(zhuǎn)錄組學(xué)、LC-MS代謝組學(xué)

研究思路

研究結(jié)果

1.鹽脅迫對(duì)旱稻地方品種17SM-19幼苗生長(zhǎng)的影響

水稻幼苗葉片在 3 DAYS 時(shí)卷曲，生長(zhǎng)也受到抑制，（NA、K含量）SNC 和 NKR 均顯著增加。然而，（芽干重，莖稈重）SDW 和 RDW 沒(méi)有顯著下降，SKC 沒(méi)有受到顯著影響。結(jié)果表明旱稻地方品種17SM-19是耐鹽性較高的品種。

圖1 | 鹽脅迫對(duì)旱稻地方品種17SM-19性狀的影響

(A)水稻生長(zhǎng)；(B)芽干重；(C)根干重；(D) Na+濃度；(E)鈉鉀比；(F)K-+的濃度。CK：對(duì)照組；ST：鹽處理。**P < 0.01。

2.水稻幼苗不同時(shí)期對(duì)鹽脅迫的差異表達(dá)基因

為了確定可以解釋水稻幼苗對(duì)鹽脅迫的反應(yīng)的分子機(jī)制，使用轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析了不同時(shí)間鹽脅迫下水稻幼苗的基因表達(dá)。共有 1900 個(gè)基因在3DAYS 差異表達(dá)，1738 個(gè)基因在5DAYS差異表達(dá)。基因總數(shù)和上調(diào)、下調(diào)基因的數(shù)量在 3 和 5 DAYS 之間的基因表達(dá)不同，并且在每個(gè)實(shí)例中具有不同的上調(diào)和下調(diào)基因。

對(duì) 3 和 5 DAYS 的 DEG 進(jìn)行 GO 和 KEGG 分析。在 GO 分析中，前 30 個(gè)富集條目在兩個(gè)時(shí)間都均勻分布在生物過(guò)程、細(xì)胞成分和分子功能中。3 DAYS 中最顯著富集的三個(gè)條目是 DNA 復(fù)制前起始復(fù)合物、細(xì)胞分裂和核小體，而在 5 DAYS 中，顯著富集的條目是幾丁質(zhì)酶活性、多糖分解代謝過(guò)程和蛋白質(zhì)復(fù)合物寡聚化。在 KEGG 富集分析中，3 和 5 DAYS 均有 16 個(gè)顯著通路，但每個(gè)時(shí)間點(diǎn)也有 6 個(gè)獨(dú)特通路。在 3 DAYS 時(shí)，獨(dú)特的通路是脂肪酸延伸、淀粉和蔗糖代謝、不飽和脂肪酸的生物合成、硒化合物代謝、α-亞麻酸代謝和堿基切除修復(fù)。在 5 DAYS時(shí)，獨(dú)特的通路是黃酮類生物合成、氮代謝、單萜生物合成、?；撬岷蛠喤；撬岽x、卟啉和葉綠素代謝以及光合生物中的碳固定。

圖2 | 對(duì)照（CK）和鹽處理（ST）中水稻枝條轉(zhuǎn)錄組學(xué)的分析

(A)(B)治療后3d、5d處特異性表達(dá)的mrna的聚類分析；鹽處理后3d、5d，(C)上調(diào)和(D)下調(diào)基因的維恩圖。

圖3 | (A)(B)3d、5dGO分析圖、(C)(D)3d、5dKEGG分析圖

3.不同時(shí)期鹽脅迫下水稻幼苗枝條的代謝物

采用 LC-MS 代謝組學(xué)對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗進(jìn)行分析。主成分分析表明樣本具有良好的組內(nèi)重復(fù)性與組間差異性。結(jié)果在 3 DAYS 時(shí)檢測(cè)到 174 種特異性的代謝物；在 5 DAYS 時(shí)，特異性代謝物有 172 種，不同時(shí)期的DAMs大致相似，但兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間也存在一些明顯的差異，這些差異可能與不同時(shí)期鹽脅迫下水稻幼苗的表型有關(guān)。

對(duì) DAM 進(jìn)行了 KEGG 分析，在 3 DAYS 時(shí)，19 個(gè)通路顯著富集，在 5 DAYS 時(shí)，14 個(gè)通路顯著富集。6 個(gè)通路在 3 DAYS 是獨(dú)特的，包括檸檬酸循環(huán)（TCA 循環(huán)）、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、乙醛酸和二羧酸代謝、β-丙氨酸代謝、賴氨酸生物合成和谷胱甘肽代謝，而在 5 DAYS，只有精氨酸和脯氨酸代謝通路是獨(dú)特的。

圖4 | 對(duì)照（CK）和鹽處理（ST）水稻枝條代謝產(chǎn)物分析

(A)樣品中CK和ST中水稻幼苗代謝物的總體表達(dá)水平log10（強(qiáng)度）；

(B)主成分分析（PCA）；

(C)(D)鹽處理后3天、5天下代謝物的火山圖；

(E）(F)在鹽處理后3、5天內(nèi)，上調(diào)代謝物和下調(diào)代謝物的維恩圖；

(G)(H）3、5天的KRGG分析圖。

4.轉(zhuǎn)錄組學(xué)與代謝組學(xué)的相關(guān)性分析

為了描述代謝物和基因之間的關(guān)系，對(duì)前 20 個(gè) DEG 和 DAM 在 3 和 5 DAYS 進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)與代謝組學(xué)的相關(guān)性分析。在 3 DAS 的前 20 個(gè) DEGs 和 DAMs 中，一半基因上調(diào)，一半下調(diào)，而只有一種代謝物上調(diào)。在 5 DAS 的前 20 個(gè) DEGs 和 DAMs 中，大多數(shù)基因上調(diào)，而沒(méi)有代謝物上調(diào)。其中1-O-(2-methoxy-4Z-hexadecenyl)-sn-glycero-3-phosphocholine，它在 3 DAS 上調(diào)，在 5 DAS 下調(diào)，這種差異可能與鹽脅迫下表型的變化有關(guān)，該代謝物在3 DAS僅與一個(gè)基因（）呈負(fù)相關(guān)，表明進(jìn)一步研究該基因與代謝物之間的關(guān)系可能有助于揭示水稻耐鹽性的新機(jī)制。

圖5?| qPCR 檢測(cè) NRVM 中的Nppa（上圖）和Nppb（下圖）

(A)和(B)鹽處理后3d、5d基因代謝網(wǎng)絡(luò)圖，綠色實(shí)心圓代表基因，橙色實(shí)心圓代表代謝物，紅線表示正相關(guān)，綠線表示負(fù)相關(guān)；

(C)和(D)通過(guò)KEGG標(biāo)記語(yǔ)言分析，在鹽處理后，3d、5d通路中的DEGs和DAMs的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖。

5.定量PCR驗(yàn)證基因表達(dá)

隨機(jī)選擇 8 個(gè) DEG 進(jìn)行 RT-qPCR 驗(yàn)證，包括。得到結(jié)果RT-qPCR 的相對(duì)基因表達(dá)與 mRNA-seq 數(shù)據(jù)一致。

圖6 | 平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差顯示

*P < 0.05; **P < 0.01.CK3，對(duì)照組3d后，CK5，對(duì)照組5d后，ST3，鹽處理3d后，ST5，鹽處理5d后。

研究結(jié)論

本研究中轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的聯(lián)合分析為增加對(duì)耐鹽旱稻地方品種 17SM-19 幼苗耐鹽分子機(jī)制的理解提供了一些線索。在本研究中，根據(jù)前 20 個(gè) DEG 和前 20 個(gè) DAM 的相關(guān)性，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)之間存在較大差異。水稻耐鹽性的分子機(jī)制可能涉及滲透調(diào)節(jié)、離子平衡和活性氧的清除。

此外，本研究提高了對(duì)OsHAK基因成員和代謝物 1-O-(2-methoxy-4Z-hexadecenyl)-sn-glycero-3-phosphocholine 在下一步水稻耐鹽性方面研究的關(guān)注。

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