脱落酸(ABA)通过调控转录组谱协调耐旱苔藓小墙藓(Syntrichia caninervis)脱水-复水过程中的生理响应机制

本研究针对苔藓植物脱水耐受性机制不清的问题，通过外源ABA处理结合多时间点转录组分析，发现ABA能显著增强小墙藓光合作用效率(Fv/Fm和Y(II))，激活光合作用、叶绿素生物合成、细胞弹性、转录因子、糖代谢和抗氧化酶六条关键通路，为植物抗旱机制研究提供了重要数据库和理论依据。

　　

在干旱和半干旱地区，植物面临着严峻的水分胁迫挑战。脱水耐受性(Desiccation Tolerance, DT)作为某些特殊植物能够忍受极度脱水并能在复水后快速恢复代谢活动的能力，一直是植物抗逆性研究的焦点。小墙藓(Syntrichia caninervis)作为一种典型的耐旱苔藓植物，能够在脱水至0.1g H₂O/g干重后迅速复苏，成为研究DT机制的理想模型。尽管前期研究表明内源脱落酸(Abscisic Acid, ABA)在脱水过程中逐渐积累，但其在苔藓植物DT过程中的具体调控机制仍不明确，特别是外源ABA如何通过调控转录组谱来协调生理响应尚待深入探索。

为了解答这些问题，研究人员设计了一个精细的实验：对小墙藓配子体进行10μM ABA预处理后，进行了长达48小时的脱水过程及24小时的复水过程，设置了16个时间点进行生理指标测定和转录组采样。研究团队采用了高通量RNA测序技术(使用HISAT2进行序列比对和DESeq2进行差异表达分析)，结合生理参数测量(包括水分含量、PSII最大光化学效率F_v/F_m和实际量子产量Y(II))以及RT-qPCR验证，系统分析了ABA处理对小墙藓脱水-复水过程的调控作用。样本来自中国新疆古尔班通古特沙漠的自然种群，在实验室条件下进行培养和处理。

研究结果揭示了ABA在多方面的调控作用：

通过生理指标分析发现，ABA处理虽然不影响脱水过程中的水分流失速率，但显著提高了复水后的最终水分含量恢复程度。更重要的是，ABA显著增强了PSII的光化学效率，在脱水后期(AD24h)和复水早期(AR30m)维持了较高的F_v/F_m和Y(II)值，表明ABA对光合机构具有保护作用。

转录组分析鉴定出20,734个转录本，其中9,859个在ABA处理与对照相比表现出差异表达。主成分分析(PCA)显示不同处理时间点能够明显分离，说明ABA处理引起了显著的转录组重编程。K-means聚类分析将差异表达转录本分为4个具有不同表达模式的簇，揭示了ABA处理的时间动态效应。

在光合作用途径方面，ABA处理在脱水早期(AD30m和AD6h)快速降低了光合相关转录本的积累，但在脱水后期(AD24h)显著增加了这些转录本的丰度，如光捕获复合体基因Lhcb2(Sc_g08677)和Lhca1(Sc_g12541)。这种调控模式与光合参数的变化相一致，说明ABA通过动态调节光合基因表达来增强光合机构对脱水-复水过程的适应能力。

叶绿素生物合成途径的转录本在ABA处理下表现出类似的动态变化模式。在脱水早期，ABA加速了这些转录本的下降，但在脱水后期(AD24h)显著提高了其表达水平，如原卟啉原氧化酶PPOX(Sc_g08518)和光依赖原叶绿素酸酯还原酶POR(Sc_g05098)。这表明ABA通过提前激活叶绿素合成基因为复水后的快速恢复做准备。

细胞弹性相关基因包括细胞骨架和细胞壁合成基因也受到ABA的显著调控。细胞骨架蛋白如绒毛蛋白样蛋白(Sc_g10677)和肌动蛋白结合蛋白(Sc_g10893)在ABA处理的复水阶段(AR6h)显著上调。细胞壁合成相关基因如木葡聚糖岩藻糖基转移酶(Sc_g11296)和纤维素合酶(Sc_g02343)同样在复水后期表现出更高的表达水平，说明ABA通过增强细胞结构相关基因表达来改善细胞弹性，促进脱水后的形态恢复。

转录因子分析发现了326个差异表达的转录因子，属于40个不同的家族，其中AP2/ERF家族占比最大(18%)。这些转录因子被分为三个簇：Cluster 1中的转录因子在脱水后期和整个复水过程中上调，但被ABA抑制；Cluster 2中的转录因子在脱水早期积累，被ABA下调；Cluster 3中的转录因子在脱水30分钟时上调，但ABA处理降低了其表达水平。特别是5个AP2/ERF转录因子(如Sc_g09802)在对照组的脱水后期和复水过程中表达较高，而在ABA处理中不积累，表明ABA通过精细调控特定转录因子来表达协调应激响应。

糖代谢途径分析发现，ABA处理影响了56个糖代谢相关差异表达转录本，涉及淀粉/蔗糖代谢(41%)、氨基糖和核苷酸糖代谢(34%)以及多糖代谢过程(25%)。这些转录本分为两个簇：Cluster 1主要包含氨基糖和核苷酸糖代谢相关基因，在脱水30分钟时上调，且对照组的表达高于ABA处理；Cluster 2主要包含淀粉和蔗糖代谢相关基因，在ABA处理下在整个脱水-复水过程中持续上调，如淀粉合成基因(Sc_g08511)。这表明ABA通过差异调节不同糖代谢途径来为细胞提供保护性溶质和能量储备。

抗氧化酶系统分析揭示了77个差异表达转录本，包括谷胱甘肽S-转移酶GST(36%)、过氧化物酶POD(47%)、超氧化物歧化酶SOD(6%)、过氧化氢酶CAT(6%)、谷胱甘肽过氧化物酶GPX(1%)和抗坏血酸过氧化物酶APX(3%)。这些抗氧化酶基因形成两个表达簇：Cluster 1中的基因(如POD和GST)在脱水早期积累，并在ABA处理下持续表达；Cluster 2中的基因(如GST和CAT)在脱水后期上调，并在ABA处理的所有时间点(除复水6小时外)保持高表达。值得注意的是，所有SOD、APX和大多数POD、GST属于Cluster 1，主要在脱水早期发挥作用；而所有GPX和大多数CAT属于Cluster 2，主要在脱水后期发挥作用。这种时间特异的调控表明ABA通过激活不同阶段的抗氧化防御系统来应对脱水过程中产生的氧化胁迫。

通过RT-qPCR对16个代表基因的表达验证证实了RNA-seq结果的可靠性，包括脱水蛋白Dehydrin(Sc_g05288)和早期光诱导蛋白ELIP1(Sc_g00948)等已知的脱水应激标记基因，以及来自各通路的关键基因。

研究结论表明，外源ABA处理通过模拟内源ABA在脱水-复水过程中的功能，全面而提前地激活了与小墙藓DT相关的转录组谱。ABA通过协调调控光合作用、叶绿素生物合成、细胞弹性、转录因子、糖代谢和抗氧化酶六大关键通路，增强了小墙藓对脱水-复水过程的适应能力。这项研究不仅提供了ABA调控苔藓植物DT机制的全面认识，还为理解植物抗旱性的进化提供了重要见解，为未来作物抗逆育种提供了潜在靶点和理论依据。研究成果发表在《Environmental and Experimental Botany》，为植物抗逆性研究领域提供了宝贵的转录组数据库和新的研究方向。