氧化还原调控驱动沿海水稻地方品种盐胁迫转录重编程的机制研究

《Scientific Reports》：Impact of redox control on transcriptional reprograming for salt tolerance in coastal rice landraces

本研究针对土壤盐渍化严重制约水稻生产的全球性问题，以孟加拉国孙德尔本斯地区两个具有相反耐盐性的水稻地方品种（耐盐型Kutepatnai和盐敏感型Charobalam）为材料，通过比较转录组学分析，揭示了在盐胁迫下氧化还原信号通过MAP激酶通路诱导重要转录因子表达，进而上调防御基因的分子机制。研究发现耐盐品种Kutepatnai通过增强抗氧化酶活性（SOD、CAT、APX）、维持氧化还原稳态（调节ASA-GSH途径）和离子/激素平衡（Na+/K+、GA/ABA），实现了更好的盐胁迫适应能力。该研究为水稻耐盐育种提供了新的靶点和理论依据。

　　

在全球气候变化和海平面上升的背景下，土壤盐渍化已成为威胁农业生产的严峻环境问题。据统计，全球约20%的耕地和33%的灌溉农业用地受到盐渍化的严重影响，其中水稻作为主要粮食作物，其产量和品质在盐胁迫下遭受的损失尤为突出。沿海地区作为盐渍化的重灾区，却孕育着许多具有独特耐盐特性的水稻地方品种，这些珍贵的遗传资源可能蕴藏着破解水稻耐盐难题的关键基因。

然而，盐胁迫对植物的伤害机制极为复杂，它不仅导致离子失衡和渗透胁迫，更会引发氧化应激，破坏细胞的氧化还原稳态。以往的研究多聚焦于单一基因或通路的调控，而对氧化还原信号在转录重编程中的核心作用认识不足。正是为了填补这一空白，来自拉杰沙希大学和布德万大学的研究团队开展了一项创新性研究，他们选取了孟加拉国孙德尔本斯沿海地区两个耐盐性截然不同的水稻地方品种——Kutepatnai（耐盐）和Charobalam（盐敏感），通过整合生理表型、氧化还原代谢组学和比较转录组学分析，系统揭示了氧化还原调控网络在盐胁迫应答中的核心作用。这项重要研究成果发表在《Scientific Reports》期刊上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先通过生理指标检测评估了种子的萌发性能（相对萌发性能RGP和相对生长指数RGI）；采用生化分析方法系统测定了氧化还原交互组状态（活性氧积累、抗氧化能力、ASA-GSH途径代谢物等）和氧化应激标志物（膜脂过氧化、蛋白质羰基化）；利用Illumina平台进行RNA测序，通过HISAT2进行序列比对，StringTie进行转录本组装，edgeR进行差异表达基因分析，并进行了GO功能注释和KEGG通路富集分析；最后通过qRT-PCR对关键基因表达进行了验证。

PISS胁迫下实验水稻地方品种的氧化还原交互组、离子和激素稳态发生差异性调控

研究结果显示，在吸胀后盐胁迫（PISS）条件下，两个品种的氧化还原状态呈现显著差异。耐盐品种Kutepatnai表现出更强的活性氧（ROS）处理能力，其超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性显著高于Charobalam。通过DAB和NBT染色进行的原位观察直观证实，Kutepatnai叶片中H₂O₂和O₂^•?的积累明显少于Charobalam。更重要的是，Kutepatnai通过维持更高的抗氧化容量、抗坏血酸（ASA）和谷胱甘肽（GSH）周转效率以及硫醇水平，有效减轻了膜脂过氧化和蛋白质氧化损伤。这种优异的氧化还原调节能力与Kutepatnai能更好地维持离子（Na⁺/K⁺比值更低）和激素（GA/ABA比值更高）稳态，以及获得更优的萌发表型密切相关。

基于Illumina平台的RNA测序、序列比对、de novo组装、单基因确定及基因表达分析

转录组测序产生了高质量的数据，两个样本的测序数据量均达到约3 GB。序列比对至水稻参考基因组的效率较高（80.24%-86.21%）。通过转录本组装和合并，获得了包含数万个转录本的共识集。与参考转录本比较后，鉴定出8097个新型异构体（class code "j"）。

PISS培育的盐敏感地方品种Charobalam与耐盐品种Kutepatnai的差异基因表达

差异表达分析发现，两个品种间存在33744个差异表达基因（DEGs），其中在Kutepatnai中显著上调的基因有3822个，显著下调的有4100个。热图分析显示，在Kutepatnai中显著高表达的基因主要富集于氧化还原信号通路（如呼吸爆发氧化酶、谷胱甘肽合成酶、过氧化物酶）、代谢过程（如UDP-葡萄糖6-脱氢酶）、细胞壁组织、运输、细胞周期调控和分子运输等功能类别。

基因本体论和通路分析

基因本体论分析表明，差异表达基因显著富集于细胞组分、生物过程和分子功能三大类。特别值得注意的是，与抗氧化活性相关的基因约占DEGs的0.8%。KEGG通路分析进一步揭示，这些基因显著富集于代谢、遗传信息处理、环境信息处理以及细胞过程等通路。尤其值得关注的是，鉴定出506个与氧化还原代谢相关的基因和1859个与信号转导相关的基因，其中植物激素信号转导通路（如BRs、ABA、SA、JA、GA和生长素）被显著激活。

转录因子相关基因的差异表达

研究发现，一系列重要的转录因子基因在耐盐品种Kutepatnai中特异性高表达，包括MYB3R-1（调控胞质分裂）、TGA2.2/TGA2.3（参与植物防御）、WRKY71（介导赤霉素信号通路）、TCP15（调控植物发育）以及bHLH137等。相反，这些因子在盐敏感品种Charobalam中则呈现下调趋势。这表明耐盐性可能与一套特定的转录调控网络的激活密切相关。

转录组数据的qRT-PCR验证

选择六个盐胁迫响应基因（涉及细胞分裂与周期调控、氧化还原信号通路、渗透调节、生长素运输和细胞重塑）进行qRT-PCR验证。结果与RNA-seq数据高度一致，均显示这些基因在Kutepatnai中的表达量显著高于Charobalam，证实了转录组分析结果的可靠性。

本研究通过系统生物学方法，有力地证明了氧化还原稳态的维持是沿海水稻地方品种Kutepatnai耐盐性的关键内在因素。其优异的氧化还原调节能力（体现为更强的抗氧化酶活性和ASA-GSH途径效率）在代谢界面产生了功能性的氧化还原信号，这种信号可能进一步通过MAP激酶等信号通路，激活MYB、WRKY、TGA等重要转录因子，进而协同上调一系列防御基因的表达，最终在离子运输与稳态维持、激素信号调控、抗氧化防御、染色体分离与重组、渗透调节以及代谢途径等多个层面构建起高效的盐胁迫适应机制。该研究不仅深化了对水稻耐盐分子机制的理解，更重要的是为利用氧化还原信号通路相关基因进行水稻耐盐性遗传改良提供了宝贵的候选基因和理论支撑。研究提出的概念模型（CM1）为后续解析氧化还原信号在非生物胁迫应答中的核心调控功能指明了方向。