木豆基因型抗旱性转录调控机制揭示萜类与LEA蛋白的关键作用

为解决全球变暖对作物生产力的威胁，研究人员开展PEG诱导干旱胁迫下两种木豆基因型的转录组学研究，发现耐旱基因型PA16通过上调萜类生物合成基因(如TPS)和LEA蛋白增强抗旱性，而中度敏感基因型PA992依赖铁稳态调节。该研究为木豆抗旱育种提供了关键分子靶点。

　　

随着全球气候变暖加剧，干旱已成为威胁作物生产的主要因素，特别是在严重依赖雨养农业系统的印度。木豆（Cajanus cajan）作为一种营养丰富的热带豆类，以其在恶劣条件下的强适应性著称，但对其抗旱分子机制的研究仍显不足。两种具有优良农艺性状的木豆品种——耐旱型Pusa Arhar 16（PA16）和中度干旱敏感型Pusa 992（PA992）——在分子水平的特性尚未被深入探索。为了解决这一知识缺口，研究人员通过模拟干旱条件，结合生理生化与多组学分析，旨在揭示木豆基因型特异的抗旱机制，为培育抗逆品种提供理论依据。该研究发表于《BMC Plant Biology》。

研究采用的主要技术方法包括：利用15%聚乙二醇（PEG）处理诱导幼苗干旱胁迫；通过测定株高、根长、相对含水量（RWC）、叶绿素荧光（Fv/Fm）及氧化应激指标（MDA、H₂O₂）进行生理表型分析；基于Illumina HiSeq平台开展RNA测序，使用Kallisto和edgeR进行转录本定量与差异表达分析；通过WGCNA构建基因共表达网络；采用GO和KEGG富集分析挖掘功能通路；使用qRT-PCR对候选基因进行验证。

生理和生化分析揭示PA16具有更强的抗旱性

通过比较PEG处理下PA16和PA992的生理指标，发现PA16在株高、RWC、Fv/Fm值上显著优于PA992，且具有更低的氧化损伤（MDA和H₂O₂水平）和更高的脯氨酸积累。根长在两组间无显著差异，表明PA16通过维持地上部生长和氧化平衡增强抗旱性。

转录组分析揭示基因型特异的干旱响应模式

RNA-seq分析鉴定出PA16和PA992中大量干旱响应差异表达基因（DEGs），其中PA16的DEGs数量较少，提示其转录响应更稳定。PCA分析显示处理与基因型间存在明显分离。WGCNA识别出与性状相关的共表达模块，如黄色模块（萜类生物合成）与PA16的抗旱性正相关。

激素与转录因子调控网络的差异

JA信号通路（如JAZ基因）和GA代谢基因在PA16中特异性上调，而PA992显示GA信号减弱。转录因子如bHLH135、MYB39、NAC72及DREB1C/F在两组中均被激活，但PA16特异性上调WRKY51和bHLH19，这些TF可能调控次生代谢和抗氧化防御。

次生代谢物通路的关键作用

萜类（如TPS、AFS）和类黄酮生物合成基因在PA16中显著上调，而在PA992中响应较弱。这些代谢物可能通过抗氧化和膜保护功能增强抗旱性。共表达网络显示TPS与DXS3、SQE及类黄酮途径基因协同表达。

LEA蛋白与热激蛋白的保守响应机制

编码LEA蛋白（如XERO1）和脱水素的基因在两组中均上调，表明它们作为核心抗旱机制。PA992中HSP基因（如HSP70、HSP83）的强烈诱导提示其依赖蛋白质稳态应对干旱。

铁稳态基因在PA992中的特异性激活

PA992中铁相关基因（如FER2、NRAMP6、VIT1）的上调可能是一种补偿机制，以缓解氧化损伤，但这并未完全消除其生理劣势。

研究结论强调，PA16通过协调萜类和类黄酮生物合成、激素信号及转录调控网络，实现了更有效的干旱适应。而PA992则依赖铁稳态和热激蛋白响应。该研究不仅揭示了木豆抗旱的分子基础，还为分子育种提供了候选基因（如TPS、LEA）。未来需通过功能验证（如CRISPR-Cas9）和代谢组学进一步阐明这些通路的作用。