木薯基因型跨季节转换的田间转录组图谱：揭示气候适应分子机制与育种靶点

《Scientific Data》：Comparative transcriptomic profiling of field-grown cassava genotypes across season transitions

本研究针对木薯在自然季节性转换中的分子适应机制尚不明确的问题，通过田间试验结合3‘mRNA-seq技术，系统分析了四种木薯基因型在雨季-旱季-雨季转换过程中的转录组动态。研究发现不同基因型在季节过渡期存在共享的差异表达基因（DEG），涉及水分运输（如PIP2-1 aquaporin）、细胞壁重塑（GAUT8）及转录因子（bZIP、NAC等）调控网络，并鉴定出26个在旱季应激后随雨季恢复表达重置的“再调控基因”。该数据集为解析木薯气候适应性提供了分子基础，为育种改良提供了候选靶点，对应对气候变化下的粮食安全具有重要意义。

　　

在热带和亚热带地区，木薯（Manihot esculenta Crantz）是数亿人口的关键碳水化合物来源，其全球年产量超过3亿吨。这种作物以耐贫瘠土壤和抗逆性强著称，但随着气候变化导致的温度波动和极端天气频发，木薯生产面临严峻挑战。尤其在其生长周期中，雨季与旱季的交替会引发水分胁迫、高温和强辐射等复合压力，如何从分子层面解析木薯的自然适应机制，成为育种家关注的核心问题。

以往研究多集中在控温控湿的模拟环境中，难以真实反映田间复杂的环境交互作用。为此，国际热带农业研究所（IITA）等机构的研究团队在《Scientific Data》发表了题为“Comparative transcriptomic profiling of field-grown cassava genotypes across season transitions”的研究，通过田间动态转录组分析，揭示了木薯在自然季节转换中的分子调控蓝图。

研究团队选取四种具有不同农艺性状的木薯基因型（TMEB419、TMEB693、TMS30572、TMS980581），在尼日利亚IITA试验站进行田间种植，并监测了温度、湿度、太阳辐射等环境参数（图1a）。在四个关键时间点（16周、25周、41周、52周）采集贮藏根样本，利用3‘mRNA-seq技术构建转录组文库，通过Illumina NextSeq 500平台生成75 bp单端读长。数据经STAR比对至木薯v8.0参考基因组，采用DESeq2进行标准化和差异表达分析，并通过主成分分析（PCA）和功能富集分析验证数据可靠性。

数据质量与重复性验证

PCA分析显示，PC1和PC2分别解释68.7%和4.3%的方差，样本按基因型和季节明显聚类（图2b）。生物学重复间相关性高（图2c），且表达分布一致（图2a），证明数据质量可靠。测序深度平均每样本1360万读长，唯一比对率达86.6%，错配率低于1.3%（表1）。

季节过渡中的差异表达基因

在雨季至旱季转换（R1-D1）中，平均鉴定出1837个DEG，其中52–60%为下调基因；旱季至雨季转换（D1-R2）中则发现830个DEG，上调基因占45–51%（表2）。热图显示各基因型在季节转换中均出现显著转录重编程（图3c）。

关键功能基因与调控网络

共有DEG中包括水通道蛋白PIP2-1、半乳糖醛酸转移酶GAUT8等已知胁迫响应基因。特别值得注意的是26个“再调控基因”（图3d），其在旱季应激后随雨季恢复表达复位，体现了转录重置机制。GO和KEGG富集分析表明，R1-D1下调基因富集于细胞壁组织等过程，而上调基因与热激蛋白响应相关；D1-R2转换中则富集到物质代谢通路（图3e–f）。转录因子分析发现bZIP、MYB、NAC等家族在季节转换中特异性富集（图3g），提示其作为核心调控因子协调应激响应。

结论与展望

本研究通过田间时间序列转录组数据，揭示了木薯在自然季节转换中的分子适应策略，突破了传统控境研究的局限性。鉴定的共享DEG和再调控基因为育种提供了靶点，例如通过编辑GAUT8增强细胞壁韧性，或调控HSF家族提升热耐受性。数据集已公开于欧洲核苷酸档案库（PRJEB79515）和Zenodo平台，为作物气候适应性研究提供了宝贵资源。未来结合多组学验证和田间表型关联，将加速培育抗逆高产木薯品种，应对全球气候变化下的粮食安全挑战。