氮素缓解楠木干旱胁迫的生理与分子机制：解锁植物耐旱密码

在全球气候变化背景下，干旱严重影响植物生长，楠木（Phoebe bournei）也深受其害。研究人员通过对楠木幼苗施加外源氮并进行干旱处理，结合转录组测序研究。结果发现氮可缓解干旱胁迫，该研究为提升楠木耐旱性提供新视角。

　　在广袤的大自然中，植物们时刻面临着各种挑战，干旱便是其中极为严峻的一个。干旱就像一个无情的 “杀手”，严重阻碍着植物的生长发育，无论是农田里的庄稼，还是森林中的树木，都难以逃脱它的影响。楠木，这种属于樟科楠木属的常绿大树，因其木材具有浓郁香气、耐久性强、质地致密坚韧，成为制作高档家具的优质材料，具有极高的经济价值。然而，随着全球气候变暖，干旱愈发频繁，楠木的产量逐年下降，这不仅影响了相关产业的发展，也对生态平衡造成了一定的冲击。为了拯救楠木，探寻提升其应对干旱能力的方法迫在眉睫。

于是，贵州师范大学、贵州大学等机构的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们将干旱处理与外源氮应用相结合，对楠木幼苗进行研究，同时利用转录组测序技术来解析其转录反应。最终，研究人员发现了许多重要的结论，这些发现为增强楠木在干旱环境中的生存能力提供了新的思路，对保护楠木资源和推动相关产业发展具有重要意义，该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是对植物进行处理和样本采集，选取健康的 1 年生楠木幼苗，设置施加铵态氮（0.8g/plant NH4+ ）的处理组（NT）和不施加铵态氮的对照组（CK），进行干旱处理，30 天后采集样本 。其次，采用多种测量技术，如使用 LI3000 仪器测定叶面积、V756CRT UV - Vis 分光光度计测定叶绿素含量、Li - 6400 XT 便携式光合作用系统测定光合速率等。最后，进行转录组测序及分析，提取样本 RNA，构建文库并测序，通过一系列软件和算法分析数据，筛选差异表达基因（DEGs） 。

研究结果

1. 外源氮对楠木幼苗生长的影响：研究发现，外源氮显著减轻了干旱胁迫对楠木幼苗的影响。与对照组相比，施加氮的楠木幼苗萎蔫和黄化程度明显降低，鲜重和干重分别增加了 29.27% 和 512.99%，叶片相对叶绿素含量（SPAD）提高了 35.03%，叶片厚度增加了 19% 。从叶片组织石蜡切片来看，处理组的栅栏组织厚度、海绵组织厚度、叶片厚度以及栅栏组织与海绵组织的比值均显著大于对照组。由此可见，外源氮能在一定程度上增强楠木叶片对干旱胁迫的适应性，缓解干旱对植物生长的不利影响。
2. 外源氮对楠木幼苗生理指标的影响：在干旱胁迫下，施加外源氮使楠木幼苗叶片中的可溶性糖含量有效增加了 7.9%，且差异显著（P<0.05）。同时，氮处理显著减轻了干旱诱导的膜脂过氧化积累，NT 组的丙二醛（MDA）积累比 CK 组低 77.06% 。这表明外源氮能够调节楠木幼苗在干旱胁迫下的渗透调节物质积累和氧化应激反应，增强其对干旱的抵抗能力。
3. 干旱胁迫下楠木幼苗的转录变化：研究人员对楠木叶片样本进行转录组测序分析，共获得 24.55GB 的 Clean Reads 测序数据，样本的 Q30 分数均大于 96%，数据可靠性高。通过差异表达分析，共鉴定出 2598 个差异表达基因，其中 1373 个在 NT 组中上调，1225 个下调 。主成分分析（PCA）显示，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）能显著区分 CK 组和 NT 组。进一步的基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，这些差异表达基因主要富集在植物光合作用、植物激素信号传导、蛋白质代谢、碳水化合物代谢以及应激耐受和响应等相关途径。
4. 参与植物激素代谢和信号转导的差异表达基因：研究共鉴定出 58 个参与植物激素代谢和信号转导的差异表达基因，这些基因富集在 “对脱落酸的响应”“信号转导的调节”“激素介导的信号通路” 等信号通路中 。其中，大部分（44 个）在 NT 组中高表达，如编码茉莉酸 ZIM 结构域蛋白的基因 OF06200（JAZ1）、OF23762（JAZ2）和 OF23206（JAZ3）等。此外，多个参与植物激素合成和应激耐受反应的转录因子基因，如 OF22206（MYBP）、OF04128（MYB）等，在 NT 组中的表达也显著上调。这说明外源氮可以调节植物激素代谢，增强楠木对干旱胁迫的耐受性。
5. 参与光合作用的差异表达基因：根据 GO 和 KEGG 富集分析，光合作用在楠木幼苗对干旱胁迫的响应中起着重要作用 。研究共鉴定出 13 个参与光合作用的差异表达基因，分属于 PFP、TRY 等基因家族。与对照组相比，NT 处理组中 FRO 基因（编码铁还原氧化酶）、ATPF1G 基因（编码线粒体 ATP 合酶抑制因子）和 CRRSP2 基因（编码胞间连丝定位蛋白）显著上调。这些基因的变化有助于维持干旱条件下楠木叶片的光合作用效率，促进植物生长。
6. 参与碳水化合物代谢的差异表达基因：与对照组相比，干旱条件下施加外源氮使楠木幼苗中共有 17 个与碳代谢相关的基因发生差异表达 。其中，10 个基因如 PWD、GBE1 等表达上调，7 个基因如 GUX、RX9 等表达下调。这些基因参与碳水化合物的合成、积累和分解过程，外源氮通过调节它们的表达，为楠木在干旱条件下提供能量和碳源，增强其对干旱胁迫的适应能力。

研究结论与讨论

综合生理和转录组分析结果，研究表明在干旱胁迫下，施加氮素对楠木幼苗具有显著的积极影响。从生理和表型上看，氮处理明显缓解了叶片萎蔫，增加了叶片生物量和叶绿素含量，提高了植物在干旱胁迫下的生长性能 。同时，氮素还提高了叶片的可溶性糖含量，降低了 MDA 含量，改善了光合性能，增加了净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和细胞间 CO2 浓度。转录组分析显示，施加氮肥后，叶片中的差异表达基因主要集中在光合作用、碳水化合物代谢和植物激素信号转导等途径 。通过对这些途径的调节，氮肥帮助楠木适应干旱环境，减轻干旱胁迫对其生长的不利影响，提高了楠木的存活率和恢复能力。

这项研究揭示了氮素缓解楠木干旱胁迫的生理和分子机制，为在全球气候变化背景下，通过合理施肥提高楠木耐旱性提供了理论依据和实践指导，对保护楠木资源、促进林业可持续发展具有重要意义。同时，研究结果也为其他植物应对干旱胁迫的研究提供了参考，有助于进一步深入探索植物耐旱的奥秘，推动植物抗逆性研究领域的发展。