黑胡椒基因表达与生理参数的干旱胁迫响应机制研究

《South African Journal of Botany》：Gene expression under different soil moisture regimes and its correlation with physiological parameters in black pepper ( Piper nigrum L.) genotypes

本研究通过分析不同土壤水分条件下黑胡椒（Piper nigrum L.）基因型中16个干旱响应基因（如DHN、OSM、NAC、GST、HSP70、PX5、PX12、SOD CuZn等）的表达模式及其与相对含水量（RWC）、电解质泄漏率（EL）、根冠比等生理参数的相关性，揭示了耐旱基因型（7211、1495、1343、4132）通过上调保护基因表达、增强水分保持能力和抗氧化防御系统以应对干旱胁迫的分子机制，为黑胡椒抗旱育种提供了关键靶点。

　　

Highlight

通过相对含水量和电解质泄漏分析验证干旱响应生理特性

在100%田间持水量（FC）条件下，相对含水量（RWC）值介于86.15%（基因型4064）至93.11%（基因型4132）之间。而在25% FC的干旱胁迫下，RWC值范围从基因型4064的46.09%到基因型1343的57.22%。累积比例下降最低（表明保水能力更强）的基因型是1343（79.31%），其次是4132（92.20%）、7211（97.39%）、1495（100.15%）、4064（132.42%）和5717（143.71%）。后两个基因型（4064和5717）表现出更高的RWC下降幅度，表明其对干旱敏感。在100% FC时，电解质泄漏（EL）值在基因型之间差异不显著。然而，在50%和25% FC条件下，EL值显著增加。在25% FC时，基因型5717的EL值最高（57.22%），而基因型1343的EL值最低（27.01%）。耐旱基因型（7211、1495、1343、4132）在所有水分胁迫条件下均表现出较低的EL值，表明其细胞膜稳定性更好。

讨论

干旱胁迫下干旱响应基因（如SOD-CuZn、SOD-FeMn、DHN、NAC、PX5、PX12、DREB、bZIP、AP2、MYB、AQUA、APC6、OSM、GST、PHAO I和HSP70）的上调，结合其优越的生理特性（如更高的相对含水量（RWC）、更低的电解质泄漏（EL）和增加的根冠比），表明了基因型7211、1495、1343和4132的耐旱性。此前在一些作物中也有通过分子表达分析鉴定耐旱基因型的类似报道。除了干旱，DHN基因也对盐胁迫和低温有响应。OSM基因通过调节渗透平衡来提供保护。SOD（CuZn和FeMn）是关键的抗氧化酶，通过将超氧阴离子转化为过氧化氢和氧气来清除活性氧（ROS）。NAC转录因子参与多种胁迫响应通路。HSP70作为分子伴侣，在蛋白质折叠和防止胁迫下的蛋白质变性中起作用。PX5和PX12通过清除过氧化氢在氧化胁迫耐受中发挥作用。GST参与解毒过程。耐旱基因型中bZIP和AQUA的显著下调表明其在水分胁迫条件下通过调节气孔关闭和水分运输来保存水分的适应性机制。主成分分析（PCA）清楚地将耐旱基因型与敏感基因型区分开来，耐旱基因型与较高的基因表达和更好的生理参数（如RWC和根冠比）相关联。

结论

本研究揭示了在水分胁迫（50%和25%田间持水量）下，与100%田间持水量相比，黑胡椒耐旱基因型（1343、4132、7211和1495）中特定的干旱响应基因（即NAC、DHN、HSP70、OSM、GST、PX5、PX12和SOD CuZn）持续表现出更高的上调表达。DREB和AP2基因代表了对干旱的一种保守响应，而非耐受性的特异性指标，因为它们在所有基因型中均观察到上调。基于结果，基因型1343、4132、7211和1495被鉴定为耐旱型，而5717和4064被鉴定为敏感型。这些基因可以作为分子标记，用于黑胡椒育种计划中筛选耐旱基因型。