水稻维生素E在渗透与极端温度胁迫下的调控网络：基于比较转录组学的解析

《BMC Plant Biology》：Interplay of rice vitamin E under osmotic and extreme temperature stresses revealed by a comparative transcriptomic approach

为解决水稻在干旱、盐碱、高温和低温等非生物胁迫下产量损失严重的问题，研究人员开展了一项关于维生素E（Tocopherol）生物合成调控机制的研究。通过整合分析231个微阵列样本，该研究揭示了13个结构基因和17个转录因子（TFs）在胁迫响应中的核心作用，并发现除盐胁迫外，其他胁迫均能诱导维生素E生物合成相关基因的表达，其中低温胁迫诱导的分子响应最为强烈。该研究为培育抗逆水稻新品种提供了重要的理论依据和候选靶点。

　　

水稻（Oryza sativa L.）是全球超过一半人口的主食，但其产量极易受到干旱、盐碱、高温和低温等非生物胁迫的威胁，每年可导致约30%的产量损失。面对日益严峻的气候变化，植物在自然环境中往往同时或先后遭受多种胁迫的组合攻击，这给传统的单一胁迫研究带来了巨大挑战。为了应对这些复杂的胁迫，植物进化出了一套精密的防御系统，其中维生素E（Tocopherol）作为一种重要的脂溶性抗氧化剂，在保护光合结构、维持细胞膜稳定性和清除活性氧（ROS）方面发挥着关键作用。然而，关于维生素E生物合成途径在应对不同非生物胁迫时的具体调控机制，尤其是在水稻这一重要作物中，仍缺乏系统性的认识。

为了填补这一空白，来自Shahid Beheshti University和Swedish University of Agricultural Sciences的研究团队在《BMC Plant Biology》上发表了一项题为“Interplay of rice vitamin E under osmotic and extreme temperature stresses revealed by a comparative transcriptomic approach”的研究。该研究通过整合分析13年来的文献数据和231个微阵列样本，系统解析了水稻维生素E生物合成相关基因在干旱、盐碱、低温和高温胁迫下的表达谱，揭示了其核心调控网络，为理解水稻抗逆机制和分子育种提供了新的见解。

主要技术方法

本研究主要采用了生物信息学整合分析的方法。研究人员首先从NCBI Gene Expression Omnibus（GEO）数据库收集了231个水稻微阵列样本数据，这些样本来自对干旱、盐碱、低温和高温胁迫敏感或耐受的不同水稻基因型。利用R语言中的limma和edgeR包进行差异表达基因（DEGs）分析，筛选标准为p值<0.05且|log₂FC|>1。随后，利用STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，并通过ShinyGO和MapMan软件进行基因本体（GO）富集分析和KEGG通路分析，以揭示DEGs的生物学功能和代谢途径。

研究结果

1. 鉴定胁迫响应的核心差异表达基因

研究人员在干旱、低温和高温胁迫下共鉴定出30个与维生素E生物合成相关的核心差异表达基因（DEGs）。其中，低温胁迫诱导的DEGs数量最多（19个），其次是干旱（6个）和高温（5个），而盐胁迫下未发现显著差异表达的基因。这些DEGs包括13个结构基因和17个转录因子，涵盖了bHLH、WRKY、bZIP和C2H2等多个转录因子家族。值得注意的是，低温胁迫不仅诱导了更多的基因表达，而且其表达模式在敏感和耐受基因型中表现出更明显的特异性。

2. 维生素E生物合成相关基因的表达模式

通过热图分析发现，DEGs在敏感和耐受基因型中表现出相似的表达模式，表明水稻对胁迫的初级响应机制具有保守性。在低温胁迫下，基因表达模式呈现出明显的聚类特征。在结构基因方面，OsGGPPS1（牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶）和氨基转移酶在干旱胁迫下上调；异分支酸水解酶、预苯酸脱水酶和莽草酸激酶在低温胁迫下上调。在转录因子方面，OsbHLH001、OsWRKY30和OsbZIP20在干旱胁迫下上调；WRKY71、ZFP15、ZFP182、OsWRKY77和OsWRKY24在低温胁迫下上调；OsWRKY77、GATA10和OsbHLH047在高温胁迫下上调。

3. 蛋白质-蛋白质相互作用网络分析

PPI网络分析揭示了DEGs之间的相互作用关系，共鉴定出60个相互作用。网络分析识别出三个主要的功能簇，这些基因主要参与莽草酸和分支酸的生物合成与代谢、信号通路的负调控、芳香族氨基酸的生物合成以及小分子代谢过程。其中，OsWRKY39被鉴定为一个枢纽基因，可能在胁迫响应中发挥核心调控作用。

4. 基因本体与KEGG通路富集分析

GO富集分析显示，DEGs显著富集于转录调控、DNA模板、RNA生物合成过程以及有机环状化合物生物合成等生物学过程。在分子功能方面，DEGs主要富集于莽草酸激酶活性、转录顺式调控区结合和DNA结合等。KEGG通路分析进一步表明，DEGs显著富集于异喹啉生物碱生物合成、萜类骨架生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成以及泛醌和其他萜类醌生物合成等通路。这些通路是维生素E生物合成的重要前体来源，表明水稻在胁迫下通过激活这些代谢途径来增强维生素E的合成。

结论与讨论

本研究通过比较转录组学分析，系统揭示了水稻维生素E生物合成相关基因在非生物胁迫下的调控网络。研究结果表明，除盐胁迫外，干旱、低温和高温胁迫均能诱导维生素E生物合成相关基因的表达，其中低温胁迫的诱导效应最为显著。这可能是由于低温胁迫主要导致膜脂过氧化和叶绿体损伤，从而增加了对脂溶性抗氧化剂维生素E的需求。相比之下，盐胁迫主要引发渗透和离子胁迫，其信号通路可能不直接涉及维生素E生物合成的上调。

研究鉴定出的核心转录因子，如WRKY71、ZFP182和OsWRKY24等，在胁迫响应中扮演着关键角色。这些转录因子通过调控下游结构基因的表达，共同构建了一个复杂的调控网络，以增强水稻对胁迫的耐受性。特别是，PPI网络分析识别出的枢纽基因OsWRKY39，可能是一个新的胁迫响应候选基因，值得在未来的功能验证研究中重点关注。

综上所述，该研究不仅揭示了维生素E在水稻抗逆性中的重要作用，还鉴定了一系列关键的调控因子和结构基因，为通过分子育种手段培育抗逆水稻新品种提供了宝贵的基因资源和理论依据。未来，通过基因编辑或过表达技术对这些候选基因进行功能验证，将有助于进一步阐明其在维生素E生物合成和胁迫响应中的具体作用机制。