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为解决 H?O?与 Ca2?信号调控机制及相关网络问题，作者[第一作者单位] 研究人员开展大麦中二者交互影响基因表达的研究。结果发现二者在大麦根叶中影响基因表达程度不同。该研究为作物抗逆育种提供依据，值得科研读者一读。
在植物的奇妙世界里，它们时刻都要面对各种环境挑战，就像一场永不停歇的冒险。为了在这场冒险中生存下来，植物进化出了一套复杂而高效的防御机制。其中，活性氧（ROS）和钙离子（Ca2?）在植物应对压力的过程中扮演着至关重要的角色。
ROS 中的过氧化氢（H?O?），它既是植物有氧代谢的 “副产品”，在正常情况下，安静地维持着低水平的存在；但当植物遭遇干旱、高温、病虫害等逆境时，它就像被激活的 “小战士”，迅速增加，参与到植物生长、发育和应激适应等多个关键环节中。而 Ca2?也不逊色，细胞内 Ca2?浓度的变化是植物对各种生物和非生物胁迫最早的反应之一，它能调节植物的生长发育进程，帮助植物应对外界的挑战。
科学家们发现，H?O?和 Ca2?之间存在着一种神秘的 “对话”—— 信号通路的相互作用。在某些情况下，Ca2?可以作为 H?O?信号的上游组件，调节 H?O?的产生；而在另一些情况下，H?O?又能诱导 Ca2?浓度的瞬间变化，参与植物的各种生理反应。尽管已经有大量关于它们的研究，但仍有许多谜团等待解开。比如，它们究竟是如何精确地相互调节的？这种 “对话” 的方向由什么决定？又是什么将这两条信号通路连接起来，实现协同反应的呢？
为了揭开这些谜团，来自 作者[第一作者单位] 的研究人员在《BMC Plant Biology》期刊上发表了一篇名为《Cytosolic Ca2? signaling contributes to H?O?-induced transcriptomic changes in barley (Hordeum vulgare L.)》的论文。通过深入研究，他们发现大麦根部约 70% 的 H?O?响应基因需要胞质 Ca2?浓度的瞬时增加来改变其转录丰度，而在叶片中，这一比例约为 33%。此外，他们还通过靶向基因分析和通路建模，不仅发现了植物中 Ca2?信号级联反应的已知成分，还找到了一些尚未与刺激相关信号联系起来的基因。研究中确定的潜在关键转录因子，为进一步研究大麦和其他作物的抗逆机制提供了重要线索，有望助力培育出更能适应气候变化挑战的作物品种。
研究人员在探索过程中运用了多种关键技术方法。他们首先使用 RNA 测序（RNA-seq）技术，对不同处理下大麦根和叶的转录组进行分析，从而找出差异表达基因。接着，运用基因本体（GO）富集分析，深入探究这些基因参与的生物学过程。同时，利用聚类分析对基因进行分类，以便更好地理解它们的表达模式。此外，通过网络分析构建基因调控网络，挖掘潜在的调控关系。
下面我们一起来看看具体的研究结果。
- 分析 H?O?和 LaCl?处理对大麦叶片和根的转录影响：研究人员给大麦幼苗进行不同的处理，有的用 H?O?处理，有的用 LaCl?（一种能阻断质膜 Ca2?通道的物质）预处理后再用 H?O?处理，还有的只用 LaCl?处理或者用 ddH?O 处理作为对照。经过一系列处理后，对大麦幼苗的根和叶进行 RNA-seq 分析。结果发现，用 H?O? + LaCl?处理后，叶片和根中差异表达基因（DEGs）的数量相近，但叶片中下调的基因略多，根中上调的基因更多。这表明 H?O?和 LaCl?的处理对大麦不同组织的基因表达产生了不同的影响。
- 鉴定大麦叶片和根中 Ca2?依赖的 H?O?响应基因：之前有研究分析过 H?O?处理大麦后基因的差异表达情况，研究人员以此为基础，通过对比 H?O?处理和 H?O? + LaCl?处理的转录组数据，筛选出那些依赖 H?O?诱导的 Ca2?信号来进行差异调节的基因。结果发现，大麦叶片和根中分别约有 33% 和 70% 的 H?O?响应基因属于 Ca2?依赖的 H?O?响应基因。这一结果显示了 Ca2?信号在 H?O?诱导的基因表达变化中起着重要作用，而且根和叶对 Ca2?信号的依赖程度存在明显差异。
- Ca2?依赖的 H?O?响应基因的 GO 分析：对得到的 Ca2?依赖的 H?O?响应基因进行 GO 富集分析，发现叶片中的这些基因主要与茉莉酸（JA）信号传导、创伤反应以及非生物胁迫响应等生物学过程相关；而根中的基因则主要与 ROS/H?O?响应、代谢、氧化应激反应、解毒以及细胞壁生物合成和组织等过程有关。这说明在不同组织中，Ca2?依赖的 H?O?响应基因参与的生物学过程存在明显的组织特异性。
- Ca2?依赖的 H?O?响应基因的聚类分析：聚类分析结果显示，叶片中的 Ca2?依赖的 H?O?响应基因可分为 5 个簇（L1 - L5），根中的分为 4 个簇（R1 - R4）。不同簇的基因表达模式不同，有的严格依赖 Ca2?信号，有的部分依赖，还有的在 Ca2?信号被抑制时会出现表达方向的改变。通过对每个簇中部分基因进行 RT - qPCR 验证，发现其表达趋势与 RNA - seq 数据相似，这进一步证明了研究结果的可靠性。
- 转录因子是大麦中 Ca2?依赖的 H?O?响应基因的关键调节因子：研究人员利用 Stress Knowledge Map 中的 Comprehensive Knowledge Network（CKN）资源，构建从已知 Ca2?信号网络组件到已鉴定的 Ca2?依赖的 H?O?响应基因的潜在连接模型。结果发现，转录因子 AGL15、HY5、PIF4 和 EIN3 在叶片和根中都是关键的调节节点，它们调控着多个 Ca2?依赖的 H?O?响应基因。这表明这些转录因子在 H?O? - Ca2?信号通路的相互作用中起着核心的调控作用。
综合研究结果和讨论部分，这项研究意义重大。它深入揭示了大麦中 H?O? - Ca2?信号通路相互作用的分子机制，发现了根和叶在响应 H?O?时对 Ca2?信号依赖程度的差异，以及不同组织中相关基因参与的生物学过程的特异性。研究还确定了关键的转录因子，为后续研究提供了重要的靶点。这些发现不仅丰富了我们对植物应激反应的认识，还为作物抗逆育种提供了理论依据。通过进一步研究这些关键基因和转录因子，有望培育出更能适应环境变化的作物品种，提高农作物在日益严峻的气候挑战下的产量和品质，保障全球粮食安全。相信在未来，随着研究的不断深入，我们将对植物的这一神秘防御机制有更全面、更深入的了解，为农业发展带来新的突破和希望。
