基因共表达网络揭示了与甘蔗中硝酸铵相关的关键节点

《Physiologia Plantarum》：Gene Co-Expression Networks Highlight Key Nodes Associated With Ammonium Nitrate in Sugarcane

本研究通过RNA-seq和共表达网络分析，比较了两种甘蔗基因型（响应型RB975375和非响应型RB937570）在低、高氮条件下的转录组差异，揭示了响应型基因型优先激活碳代谢和防御通路，而非响应型基因型侧重光合作用和应激反应。共鉴定44个氮响应模块和20个基因型特异性模块，其中模块20富含MYB转录因子，并发现多个代谢相关候选基因，为提高甘蔗氮利用效率提供了分子靶点。

　　在农业可持续发展的背景下，氮素利用效率（NUE）成为提升作物生产力和资源利用效率的关键因素之一。特别是对于像甘蔗这样的高光合效率作物，其氮素利用效率的提升不仅有助于提高产量，还能有效减少氮肥的使用，从而降低农业对环境的影响。本研究聚焦于甘蔗中NUE的分子机制，通过分析两个不同NUE类型的甘蔗基因型（RB975375为响应型，RB937570为非响应型）在不同氮素条件下的转录组数据，结合叶发育梯度的分析，揭示了NUE差异背后的基因调控模块和代谢通路。

### 基因型差异与氮素响应机制

研究发现，响应型基因型在高氮条件下优先激活碳代谢和光合调控相关通路，而非响应型基因型则倾向于增强光合作用和应激反应。这种差异表明，不同基因型在面对氮素供给变化时，其分子响应策略存在显著区别。响应型基因型通过协调调控碳代谢和光合光捕获过程，实现了更高的光合效率和氮素利用能力，而非响应型基因型则表现出不协调的转录调整，这可能影响其整体的氮素利用效率。

此外，研究中发现，高氮条件下，非响应型基因型表现出更多的上调基因，而响应型基因型则在叶尖区域（P段）表现出最高的基因响应。这一现象提示我们，叶发育的区域差异可能在不同基因型的氮素利用策略中扮演重要角色。响应型基因型在叶尖区域表现出更强的基因调控能力，可能与其较高的叶绿素含量和增强的CO?固定能力相关。而非响应型基因型则在高氮条件下倾向于激活与光合机制和应激反应相关的基因，这可能与其维持较高光合效率和应对环境变化的能力有关。

### 转录组分析与基因表达调控

本研究利用高通量RNA-seq技术，从48个叶段样本中获取了丰富的转录组数据。这些样本包括不同基因型和氮素条件下的叶段，涵盖了叶基部（B0和B段）、中部（M段）和叶尖（P段）等不同发育阶段。通过数据预处理和聚类分析，研究人员构建了一个包含1109个节点和199个模块的基因共表达网络，揭示了基因型特异性调控模块与氮素响应之间的复杂关系。

研究还发现，共有44个模块与氮素响应相关，而20个模块则与基因型相关。其中，模块20因其富含MYB/MYB相关转录因子而成为氮素响应的核心调控模块。这一模块的基因表达模式在两种基因型中表现出显著的差异，尤其是在低氮条件下，模块20在响应型基因型中表现出更强的激活趋势。这种差异可能反映了响应型基因型在应对氮素限制时，能够更有效地整合氮素信号与应激信号，从而维持较高的光合效率和氮素利用能力。

### 代谢标记与基因调控的关联

研究还识别了多个与氮素响应和代谢相关的标记基因，例如RUBISCO和PEPCASE。这些基因的表达模式与特定的调控模块相关联，表明它们在氮素利用过程中发挥着重要作用。例如，PEPCASE在响应型基因型中表现出较高的表达水平，这可能与其在高氮条件下促进碳固定和提高光合效率有关。而RUBISCO则在低氮条件下表现出更高的表达水平，这可能反映了响应型基因型在应对氮素限制时，通过增强光合反应中心的活性来维持代谢平衡。

此外，研究还发现了一些具有基因型特异性表达的新候选基因，如NewTr2475430.gen。这些基因可能在氮素利用效率的调控中起到关键作用，但由于其功能尚未明确，仍需进一步研究以确定其具体机制。

### 转录相关蛋白（TAPs）与氮素响应

转录相关蛋白（TAPs）在调控氮素利用效率方面表现出重要作用。研究中发现，响应型基因型中，57.4%的TAPs属于MYB/MYB相关家族，这一比例显著高于随机预期值（p < 0.01）。MYB转录因子在植物中广泛参与光合和代谢调控，尤其在应对氮素供给变化时表现出重要的调控功能。例如，Gelli等人（2014）发现，多个MYB基因在氮素利用效率高的高粱基因型中被上调，而Yang等人（2019）则在低氮耐受的甘蔗品种中发现，MYB家族的调控因子是差异表达基因中的重要组成部分。

在模块20中，研究人员进一步发现了多个与氮素响应相关的TAPs，这些基因不仅在低氮条件下表现出较强的表达，还在光合调控和应激反应中发挥了关键作用。例如，模块20中的某些基因参与了对盐胁迫的响应和钾离子的调控，这可能表明这些TAPs在整合氮素和钾离子信号方面具有重要作用。此外，某些基因还与花发育和衰老调控相关，提示我们，氮素缺乏可能导致植物提前进入衰老阶段，从而影响其整体的光合能力和代谢效率。

### 未来研究方向与应用价值

本研究不仅揭示了甘蔗在不同氮素条件下的分子响应机制，还为提高甘蔗的氮素利用效率提供了重要的基因调控靶点。通过识别响应型基因型中关键的调控模块和候选基因，研究人员为甘蔗育种和生物技术应用提供了新的思路。例如，可以利用这些基因进行基因编辑，以增强甘蔗在低氮条件下的适应能力，或通过调控特定的代谢通路，提高其在高氮条件下的利用效率。

此外，本研究生成的资源，包括RNA-seq数据集、转录组组装、共表达网络、差异表达基因（DEGs）和代谢相关性分析，为后续研究提供了宝贵的数据库。这些数据不仅有助于理解甘蔗中氮素利用效率的分子基础，还可以用于比较不同多倍体作物在营养利用效率方面的差异，从而推动可持续农业的发展。

### 研究意义与结论

综上所述，本研究通过整合基因表达和代谢数据，揭示了甘蔗在不同氮素条件下的分子响应机制。响应型基因型通过协调调控碳代谢和光合反应，实现了更高的氮素利用效率，而非响应型基因型则表现出更强烈的应激反应和光合增强。这些发现不仅为甘蔗育种提供了新的方向，还为农业可持续发展提供了理论支持。

未来的研究可以进一步扩展，包括对更多基因型和不同氮素供给条件的分析，以更全面地理解氮素利用效率的遗传基础和剂量依赖性变化。此外，针对这些关键调控模块和候选基因的功能研究，也将有助于揭示其在氮素利用效率调控中的具体作用，为农业实践提供更加精准的分子工具。