水稻耐盐渐渗系JN100的全基因组与转录组整合分析揭示其分子机制

本研究针对土壤盐渍化导致作物减产的问题，通过整合全基因组测序和转录组分析，比较水稻耐盐渐渗系JN100、轮回亲本Jupiter和供体Nona Bokra的遗传变异和基因表达谱。研究发现JN100在1、2和9号染色体上存在4个主要供体片段，鉴定出25个在盐胁迫下与Jupiter差异表达的关键基因，涉及离子转运（如CHXs、NHXs家族）、转录因子（bZIP、NAC、MYB家族）、ABA响应和钙信号通路。这些结果揭示了多基因协同调控增强水稻耐盐性的分子机制，为耐盐水稻品种的分子育种提供了重要靶点和理论依据。

　　

土壤盐渍化是制约全球农作物生产的主要环境因素之一，它通过引起渗透胁迫、离子毒害、营养失衡和土壤物理性质恶化等方式降低作物生产力。水稻（Oryza sativa L.）作为全球半数人口的主粮，同时也是盐敏感作物，尤其在幼苗期和生殖生长期对盐分极为敏感。灌溉区和沿海稻田排水不良加剧了土壤盐渍化的风险，因此培育耐盐且高产的水稻品种已成为育种学家的重要目标。尽管早期研究鉴定出位于1号染色体的主效QTL Saltol，其通过调控地上部Na⁺/K⁺比率增强耐盐性，并被用于分子标记辅助育种，但水稻耐盐性是由多基因控制的复杂数量性状，其分子机制尚不完全清楚。

为此，美国路易斯安那州立大学农业中心的研究团队在《Current Opinion in Systems Biology》上发表了一项研究，他们利用全基因组重测序和转录组分析，系统比较了耐盐渐渗系JN100（JN）、其轮回亲本Jupiter（JU，盐敏感）和供体亲本Nona Bokra（NB，耐盐）在盐胁迫下的遗传变异和基因表达模式，旨在揭示JN100耐盐性增强的分子基础。

研究人员主要采用了全基因组重测序（WGS）和RNA测序（RNA-Seq）技术。WGS基于Illumina NovaSeq 6000平台，对JN、JU和NB三个基因型进行测序，数据比对至日本晴参考基因组（IRGSP-1.0），利用BWA、GATK和SnpEff进行变异检测和注释。RNA-Seq则分析了对照组和盐胁迫（EC 12 dS m^-1）下叶片样本的转录组，通过STAR比对、Trinity组装、RSEM定量和DESeq2差异表达分析，筛选差异表达基因（DEGs）。功能注释采用Trinotate流程，GO富集分析使用Cytoscape的BiNGO插件。此外，通过qRT-PCR对关键基因表达进行了验证。样本来源于实验室前期构建的BC₃F₄群体，其中JN100是从Jupiter×Nona Bokra回交自交后代中选出的耐盐株系。

3.1. 盐耐受性评价

表型分析确认，盐胁迫下JN100的Na⁺积累和Na⁺/K⁺比率显著低于Jupiter，与供体Nona Bokra相似，且根长和茎长减少幅度较小，表明JN100具有更好的离子稳态和生长维持能力。

3.2. 全基因组DNA多态性发现

重测序共识别出JN/JU、JN/NB和JU/NB配对间的SNP和InDel变异，其中JN/JU变异数量最少（约120万），且变异主要分布于基因间区和启动子区。功能注释显示，错义突变占非 synonymous SNP的54-55%，可能影响蛋白功能。

3.3. JN100中的渐渗区域

基于SNP密度分析，在JN100的1、2和9号染色体上鉴定出4个主要NB来源的渐渗片段（Chr1:4.25 Mb、Chr2:1.5 Mb、Chr9:2.66 Mb和4.64 Mb）。这些区域包含755个基因，且与已知耐盐QTL（如mQTL1.1、MQTL9.1等）重叠，但Saltol区域单倍型与JU一致，说明JN100的耐盐性由Saltol以外区域控制。

3.4. 转录组图谱与新转录本发现

盐胁迫下，CJU-TJU、CJN-TJN和CNB-TNB分别鉴定出3719、4259和4241个DEGs。JN与JU在对照和盐胁迫下的DEGs分别为175和300个，表明盐胁迫激活了更多基因表达。PCA和相关性分析证实样本重复性良好。

3.5. 基因本体富集分析

GO分析显示，DEGs显著富集于运输、激素响应（如ABA）、应激响应、信号转导、代谢过程等生物学过程，提示这些通路在耐盐性中起核心作用。

3.6. 转运蛋白、转录因子和激酶在耐盐机制中的作用

热图显示多个离子通道（如OsCHX15、OsCLC2）、激酶（如OsCIPK7、OsPPCK1）和转录因子（如OsbZIP71、OsNAC74、OsMYB30）在JN中差异表达，涉及K⁺稳态、Ca²⁺信号和ROS清除等过程。

3.7. JN与JU比较中全局响应的盐胁迫相关基因

鉴定出在JN中特异上调的基因（如OsCHX15、OsCYCP4;3）和下调基因（如OsSIT1），这些基因可能正或负调控耐盐性。

3.8. JN渐渗区域中的差异表达基因

整合基因组和转录组数据，在渐渗区域内发现97、112和121个DEGs分别对应于CJU-TJU、CJN-TJN和CNB-TNB。其中，25个DEGs在盐胁迫下在JN与JU间差异表达，包括OsbZIP71、OsINV1等可能贡献耐盐性的候选基因。

3.9. qRT-PCR验证盐胁迫相关基因

qRT-PCR结果与RNA-Seq高度一致，验证了OsSIT1、OsCHX15、OsbZIP71等基因的表达趋势，支持测序数据的可靠性。

该研究通过多组学整合分析，揭示JN100的耐盐性由多个渐渗区域内的基因协同控制，涉及离子转运（如CHXs、NHXs）、转录调控（bZIP、NAC、MYB）、ABA信号和钙信号通路。这些基因通过维持离子稳态、减少ROS毒性和调节气孔运动等机制增强耐盐性。研究发现耐盐性由多基因控制，而非单一SaltolQTL，强调了 pyramiding（基因聚合）策略的重要性。鉴定的候选基因（如OsCHX15、OsNTL3/OsNAC74、OsbZIP71、OsSIT1、OsCCA1、OsABI5和OsZIFL2）为耐盐水稻分子育种提供了新靶点，有助于可持续农业发展。