生长素与茉莉酸信号通路在水稻热胁迫响应中的拮抗调控机制研究

本研究针对高温胁迫严重影响水稻产量的问题，通过比较分析热敏感品种Sasanishiki(Sa)和耐热近等基因系S49的转录组和植物激素变化，发现S49通过维持较高生长素(IAA)水平和抑制茉莉酸(JAs)信号通路来增强热耐受性。研究揭示了IAA和JA信号通路在热胁迫中独立介导不同的抗性策略，为培育耐热水稻品种提供了重要理论依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，高温胁迫已成为制约水稻生产的主要非生物胁迫因素。研究表明，全球平均气温每升高1℃，水稻产量可能下降约10%，特别是在对温度敏感的开花和授粉期，高温会导致花粉育性降低、颖花发育异常，最终造成结实率显著下降。面对这一严峻挑战，解析水稻耐热性的分子调控机制，培育耐热新品种成为保障粮食安全的重要途径。

近期发表在《BMC Genomics》的一项研究，通过比较耐热近等基因系S49和热敏感品种Sasanishiki(Sa)的生理响应和转录组特征，揭示了生长素(auxin/IAA)和茉莉酸(jasmonic acid/JA)信号通路在热胁迫响应中的关键作用。研究人员发现，在43℃热处理3天后，S49的存活率显著高于Sa，且田间试验表明S49在分蘖数和结实率方面具有明显优势。

研究采用的主要技术方法包括：基于染色体片段置换系(CSSL)群体筛选获得的耐热近等基因系材料；利用液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)定量分析植物激素含量；通过RNA-seq转录组测序进行基因表达谱比较；采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)验证关键基因表达模式。

Phytohormones in the two cultivars subjected to heat stress

激素测定结果显示，在24小时热胁迫过程中，S49的IAA水平在1小时和8小时显著高于Sa，而JA和JA-Ile(茉莉酸-异亮氨酸结合物)含量在24小时显著低于Sa。ABA(脱落酸)含量也呈现类似下降趋势，但SA(水杨酸)水平无显著差异，表明IAA和JA信号通路可能独立参与热胁迫响应。

Transcriptome analysis of S49 and Sa

转录组分析发现，35,502个高质量测序读数中，24小时热胁迫时差异表达基因数量最多(1,721个上调，2,334个下调)。KEGG富集分析显示，S49中上调基因显著富集在苯丙烷生物合成、光合作用和MAPK信号通路等过程。特别值得注意的是，植物激素信号转导通路中，生长素和茉莉酸相关基因呈现显著差异表达。

Different expression levels of IAA and cultivars

进一步分析发现，S49中11个OsIAA基因(包括OsIAA1、OsIAA3等)和6个OsARF基因(包括OsARF2、OsARF5等)在热胁迫下显著上调。同时，3个OsSAUR基因(OsSAUR21、OsSAUR23、OsSAUR29)表达也明显增加。相反，茉莉酸生物合成相关基因(OsLOXs、OsAOC、OsAOS等)和信号转导基因(OsCOI2、OsMYC2及多个OsJAZ基因)在S49中普遍下调。

Discussion

研究表明，耐热品种S49通过独特的激素调控策略应对热胁迫：一方面激活IAA信号通路维持正常生长发育，另一方面抑制JA信号通路减少防御响应消耗。这种"生长优先"的策略使S49在高温条件下能更好地保持生理功能和工作产量。该研究不仅揭示了IAA和JA信号通路在热胁迫响应中的拮抗作用，为理解植物激素网络在环境适应中的协调机制提供了新视角，而且为通过调控内源激素平衡培育耐热作物品种提供了重要理论基础。未来研究需要进一步解析这些激素通路如何整合环境信号并精确调控生长-防御平衡的分子机制。