鹽分脅迫是全球糧食安全的一個重大問題，揭示植物在鹽度下存活的機制具有重要意義，目前鹽脅迫下高粱中差異表達基因及其相對表達情況的系統分析尚未報道。2021年10月Antioxidants在線一篇“Genome-Wide Transcriptome Profiling, Characterization, and Functional Identification of NAC Transcription Factors in Sorghum under Salt Stress”研究論文。該研究通過代謝組學和轉錄組學研究確定高粱耐鹽性背后可能的調控網絡，有助于建立鹽高粱敏感分子網絡，并為耐鹽種質保持和谷類作物改良提供見解和方向。
耐鹽高粱（SSG S9-3）
鹽敏感高粱（PC-5）
研究對具有不同耐鹽性的兩種高粱基因型（SSG 59-3和PC-5）進行表型評估，然后在不同鹽濃度下種植。從高粱葉片中提取總RNA，進行轉錄組測序。對生成的原始數據進行差異表達分析、系統發育分析。
鹽脅迫顯著降低了一些表型參數，在抗性（SSG 59-3）和易感（PC-5）高粱基因型之間觀察到顯著差異（p<0.05）。與易感基因型相比，耐鹽基因型SSG 59-3在鹽濃度下保持了較強的根系和地上部生長，地上部和根系長度以及鮮重和干重的減少最小（圖3）。
圖3 在正常（對照）和鹽脅迫條件下生物量積累和形態表現
在耐性和易感基因型中，Na濃度對根和地上部生物量的影響均顯著（p<0.05），而在處理植株中， PC-5（4.92）在地上部積累的Na離子濃度顯著高于SSG 59-3（1.62）（圖5）. 此外， SSG 59-3在地上部保持較高的鉀濃度，而PC-5的鉀濃度顯著降低。在120mM NaCl脅迫下，兩個品種的鉀離子濃度均下降。根據Na和K離子濃度，兩種基因型的根和地上部的Na/K比率均受到顯著影響，且PC-5的Na/K比率高于耐SSG 59-3。
圖5 鹽脅迫對高粱基因型離子譜的影響
鹽脅迫會導致活性氧的含量增加，從而干擾細胞氧化還原穩態并導致氧化損傷。H2O2含量和細胞膜氧化損傷標記物（應激指數（RSI）和丙二醛（MDA））。NaCl濃度的增加導致H2O2含量的積累顯著增加，尤其是在P<0.05時，氧化應激標記表明，鹽誘導的氧化應激顯著影響葉片組織。由于氧化損傷，SSG 59-3積累的應激標記物較少。
圖8鹽脅迫對氧化應激標記物物的影響
共檢測到32412個差異基因（DEG），其中20650個上調，11762個下調。通過比較耐鹽基因型和易感基因型的對照組織和鹽處理組織之間的DEG數量，進一步的實驗分析兩個品種在對照和鹽脅迫處理下調控的DEGs的表達譜。根據DEG的熱圖顯示，所有DEG在對照組織和應激組織的樣本中表現出差異表達，表明關鍵反應機制在耐鹽基因型（SSG 59-3）和易感基因型（PC-5）之間存在差異。
圖11差異基因聚類熱圖
圖12 DEG的數量和分組
在耐鹽SSG 59-3基因型中，與膜和離子轉運蛋白類等相關高度表達（圖13）。基于細胞成分的分類顯示，大多數DEG存在于細胞內區域（41%），其次是細胞和解剖活動（45%）和含蛋白質復合物（14%），而在PC-5中，觀察到四類DEG存在于細胞內區域（43%）其次是生物合成過程（23%）、細胞和解剖活動（21%）和含蛋白質復合物（11%）。
圖13 GO分析
在選定的候選基因中，這些基因在鹽度下起著至關重要的作用，并通過qPCR分析進行了驗證。NCED3（XP_004508176.1）是一個應對非生物脅迫的關鍵ABA合成基因，在信號轉導途徑中發揮重要作用。TF的網絡分析顯示幾種鹽敏感蛋白的復雜相互作用，這些蛋白的表達在高鹽脅迫下上調，如LEA、WRKY、bHLH92、鋅指蛋白和E3泛素蛋白連接酶。其他重要基因在高鹽度下被發現上調，包括富含脯氨酸的伸展蛋白、結構細胞壁成分、信號傳導、鈣結合蛋白CML18等。
圖15 網絡分析
7｜SbNAC1-TFs的系統發育樹、結構和基序分析
比較了來自相關物種（即玉米、水稻、芒屬、野生穗、狗尾草、大麥和洋地黃）的129個氨基酸序列，以評估它們之間的進化關系。從ML樹的拓撲結構中識別出約129SBNAC1TF，這些識別出的TF被分為八組。基于SBNAC1蛋白質的85個氨基酸序列，使用MEGA X中的ML方法構建系統發育樹。結果顯示，大多數的SBNAC1 TF基因沒有或每個基因有1-2個內含子，而BNAC1-67有9個內含子，BNAC1TF的DNA結合域揭示了參與鹽度響應的主要氨基酸殘基。
圖14 高粱NAC1蛋白的MEGAX系統發育樹（ML法）
高粱在高鹽度下的差異表達基因被發現與幾種代謝和生物過程有關。研究耐鹽基因型（SSG 59-3）和易感基因型（PC-5）之間共同DEG的總體示意圖，以解釋這些差異表達基因在鹽脅迫下高粱中的潛在作用。結果表明，這些DEG參與轉運功能、細胞膜完整性、應激反應和信號轉導，并與鹽脅迫的基本功能相關。（圖17）。
圖17 不同鹽濃度下獲得耐鹽性的分子機制示意圖
研究進行qPCR表達分析，以確定所選候選基因的途徑是否與高粱基因型的耐高鹽性有關。在與RNA-seq相同的實驗條件下制備了一組類似的樣品，針對鹽脅迫作用選擇的DEG進行qPCR分析。結果表明，在RNA-seq分析和qPCR中，所有10個基因的表達趨勢相似（上調或下調）。
圖18 基于qPCR基因的表達水平（A–I），PP2A基因用作參考基因
本研究通過整合生理生化分析，綜合比較耐鹽（SSG 59-3）和易感（PC-5）基因型之間的轉錄組數據，更好地理解高粱的耐鹽機制。結果表明，SSG 59的脅迫耐受機制更有效全面，這項工作將有助于識別鹽脅迫反應中涉及的標記分子，為在鹽堿易發地區利用分子育種方法進行高粱育種項目提供新的視角。
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文本：李晨晨
排版：檀檀
審核：三黍市場運營部
