IbHY5-NO-IbHAM1-IbSOS1信号模块在调控红发光碳点中的作用增强了甘薯对盐胁迫的耐受性

《Crop and Environment》：Involvement of IbHY5-NO-IbHAM1-IbSOS1 signaling module in mediating red-emissive carbon dots increased salt stress tolerance in sweetpotato

碳点光致发光调控甜菜耐盐性：NO信号与组蛋白乙酰化介导的SOS通路激活

　　光致发光（Photoluminescence, PL）是碳点（Carbon Dots, CDs）的一项关键特性，这种材料因其高生物相容性、低毒性以及良好的水溶性，在农业领域引起了广泛关注。CDs作为一种零维碳基纳米材料，其独特的物理和化学性质使其在农业应用中展现出巨大的潜力，例如提高植物光合作用效率、促进铁元素富集以及增强植物对非生物胁迫的耐受能力。然而，尽管CDs在实验室和温室环境中已显示出一定的应用前景，但如何将这些材料有效地应用于田间作物，以提高其抗逆性，仍是一个未被充分探索的领域。本文的研究聚焦于一种红光发射的CDs（Red-emissive Carbon Dots, RCDs），探讨其在田间作物如甘薯（*Ipomoea batatas* (L.) Lam）中提高盐胁迫耐受性的机制，为未来农业纳米技术的应用提供了新的思路。

盐胁迫是全球范围内影响作物健康和农业生产的重要环境问题。植物在面对盐胁迫时，会通过复杂的调控网络来应对，其中SOS（Salt Overly Sensitive）信号通路在调节细胞内钠离子（Na?）的排除中发挥核心作用。此外，光信号在植物应对盐胁迫中也扮演了重要角色，特别是在调控植物生长发育和适应性方面。红光信号对植物的生理过程具有积极影响，例如提高植物对盐胁迫的耐受能力。然而，目前尚无明确的证据表明，基于光信号理论设计的CDs是否能够有效增强田间作物的农艺性状，如盐胁迫耐受性。因此，本文提出假设，认为通过合成并施用具有红光或远红光发射特性的水溶性CDs，可能能够靶向特定的光信号通路，从而重塑植物的表观遗传景观，进而提高其对盐胁迫的耐受能力。

研究采用甘薯作为实验材料，模拟盐胁迫环境，并通过叶面喷洒RCDs，观察其对甘薯耐盐能力的影响。结果表明，RCDs的施用显著提高了甘薯幼苗的存活率，并延缓了盐胁迫引起的叶片黄化现象。进一步分析发现，RCDs促进了根尖部位的Na?外排，这一过程反映了Na?/H?反向转运蛋白（Na?/H? antiporter）的活性变化。同时，RCDs还增强了与SOS信号通路相关的基因表达，如*IbSOS1*、*IbSOS2*和*IbSOS3*，这些基因的表达在夜间达到峰值。此外，RCDs的应用还显著增加了根尖部位的硝酸盐（NO??）外排和NO的积累，从而进一步提升了甘薯的耐盐能力。

为了验证RCDs的光致发光特性是否对其增强盐胁迫耐受性至关重要，研究团队还采用了直接红光LED（RED）照射的方法，与RCDs的效果进行了对比。结果显示，RED照射能够显著改善甘薯的耐盐能力，与RCDs的效应类似，这表明RCDs的光致发光特性可能是其发挥功能的关键。然而，当RCDs的荧光被淬灭后，其对Na?外排和SOS信号通路相关基因的促进作用消失，进一步证明了光致发光在RCDs功能实现中的重要性。

此外，研究还发现，RCDs能够调控植物根部的光信号通路，包括光受体（如*IbPHYB*和*IbPHYA*）以及与光信号响应相关的转录因子（如*IbPIF1.1*和*IbPIF4*）的表达模式。这些基因的表达在盐胁迫条件下表现出昼夜节律的变化，其中*RCDs*的施用显著增加了*IbPHYB*的表达，尤其是在夜间，这可能与光信号调控下的基因表达模式有关。同时，RCDs还影响了与组蛋白乙酰化相关的基因表达，包括组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDAs），如*IbHAM1*、*IbHAC1*、*IbGCN5*、*IbHAF2*、*IbHDA6*、*IbHDA9*、*IbHDA15*和*IbHDA19*。这些基因的表达在盐胁迫条件下表现出明显的昼夜节律性，且在RCDs处理下发生显著变化。当NO信号被抑制时，这些基因的表达模式被逆转，进一步说明了NO在RCDs诱导的基因表达调控中的核心作用。

为了深入探讨RCDs如何通过NO信号调控基因表达，研究还采用了染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）和定量PCR（qRT-PCR）等技术，分析了盐胁迫条件下RCDs处理对组蛋白H4乙酰化水平的影响。结果表明，RCDs处理显著增加了组蛋白H4乙酰化水平，尤其是在与Na?运输和盐胁迫响应相关的基因的启动子和转录起始位点（TSS）区域。这些变化不仅促进了目标基因的转录，还可能通过表观遗传调控机制，增强了植物对盐胁迫的适应能力。此外，研究还发现，RCDs处理显著增加了与脂质代谢和液泡Na?分隔相关的基因表达，如*IbIPUT1*、*IbPSS1*、*IbNHX2*等，这些基因的表达增加可能与细胞内的离子平衡和胁迫响应有关。

进一步的实验表明，IbHY5作为一种关键的光信号转录因子，在RCDs诱导的NO信号通路中发挥了重要作用。IbHY5的表达在RCDs处理下被显著抑制，这可能与RCDs增加红光比例并提高R:FR（红光与远红光比例）有关。同时，IbHY5的表达变化也影响了与NH??运输相关的基因表达，如*IbAMT1;2*，从而调控了NH??的吸收和利用。这一过程可能通过IbHY5对NH??运输基因的抑制作用，间接促进了NO的产生，从而增强了植物对盐胁迫的耐受性。此外，IbHY5的表达变化还与NO信号的调控有关，表明IbHY5可能在RCDs诱导的NO信号通路中扮演了关键角色。

研究还发现，IbHAM1作为一种组蛋白乙酰转移酶，在RCDs诱导的NO信号通路中发挥了重要作用。IbHAM1的过表达显著增强了Na?的外排，并促进了*IbSOS1*、*IbSOS2*和*IbPHYB*等基因的表达。这表明，IbHAM1可能通过调控组蛋白H4的乙酰化水平，进而影响这些基因的表达，从而提高甘薯对盐胁迫的耐受能力。此外，IbHAM1的表达还与NO信号密切相关，当NO信号被抑制时，IbHAM1的表达也受到影响，进一步支持了NO在这一过程中的核心作用。

综上所述，RCDs通过其光致发光特性，增强了甘薯对盐胁迫的耐受能力。这一过程主要依赖于NO信号的调控，而NO的产生又与植物的氮代谢密切相关。RCDs通过促进NH??的吸收和利用，进而增加了NO的积累，最终通过调控组蛋白乙酰化水平，激活了与Na?运输和盐胁迫响应相关的基因表达。这一发现不仅揭示了RCDs在植物胁迫响应中的潜在机制，还为未来开发基于光信号调控的农业纳米材料提供了理论依据。此外，IbHY5作为潜在的信号枢纽，在RCDs诱导的NO信号通路中起到了关键作用，其表达变化可能通过调控NH??运输基因，间接影响NO的产生，从而增强植物对盐胁迫的适应能力。这一研究为农业中应用纳米材料调控植物光信号和表观遗传机制提供了新的视角，并为提高田间作物的抗逆性提供了可行的策略。