解析大麦应对干旱的奥秘：转录组与激素调控协同机制

干旱严重威胁全球作物生产力和粮食安全。为探究大麦应对干旱的机制，研究人员整合转录组和激素组分析。结果发现干旱诱导大麦基因表达和可变剪接重编程，激素水平改变。该研究为培育抗逆作物提供了重要依据。

　　在全球气候变化的大背景下，干旱成为了农业生产的大敌。它就像一个无形的杀手，严重威胁着全球作物的生产力和粮食安全。植物在长期的进化过程中，虽然发展出了各种应对干旱的策略，但其中的具体机制仍有许多未知之处。对于大麦这种在全球农业系统中占据重要地位的作物来说，了解它如何应对干旱，能够为提高作物的抗逆性、保障粮食供应提供关键的理论支持。这也正是本次研究的出发点。

来自波兰西里西亚大学（University of Silesia in Katowice）、捷克帕拉茨基大学（Palacky University）、英国詹姆斯?赫顿研究所（James Hutton Institute）等机构的研究人员，开展了一项关于大麦应对干旱机制的研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上。这项研究意义重大，它为深入理解大麦在干旱环境下的适应策略提供了全面的视角，也为培育更具气候适应性的作物品种奠定了理论基础。

研究人员采用了多种关键技术方法。在实验材料上，选用了春大麦品种‘Sebastian’。在处理干旱胁迫时，通过控制土壤的含水量来模拟干旱环境。对于转录组分析，研究人员提取叶片和根组织的 RNA，利用 Illumina 测序技术进行转录组深度测序，并使用相关工具进行基因表达和可变剪接分析 。在激素组分析方面，运用靶向代谢组学方法测定大麦根和叶中的植物激素浓度。同时，通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析和宏转录组学分析研究土壤微生物群落。

下面来看具体的研究结果：

1. 干旱引发大麦广泛的转录和可变剪接重编程：研究人员对大麦叶片和根进行 RNA 测序，在干旱和对照条件下，鉴定出 6655 个差异表达基因（DEGs）和 2362 个差异可变剪接基因（DAS）。这些基因的变化表明，干旱胁迫对大麦的基因表达和转录后调控产生了深远影响。
2. 干旱下叶片和根中 DEGs 和 DAS 的不同功能：在叶片中，下调的 DEGs 主要与光合作用相关，这是植物为了在干旱时节约能量和资源的一种策略；而上调的 DEGs 则与应对水分胁迫和脱落酸（ABA）信号传导有关。在根中，下调的 DEGs 与 DNA 整合和 RNA 模板 DNA 生物合成相关，意味着根可能减少细胞生长或分裂以应对干旱；上调的 DEGs 则富集在代谢过程，尤其是多胺代谢和蔗糖代谢，这对增强根的干旱适应性具有重要意义。同时，叶片和根的 DAS 基因功能也存在差异，叶片主要涉及代谢和 mRNA 加工过程，而根则涉及更广泛的途径，包括激素信号传导和细胞重组。
3. 干旱响应的转录因子表达和可变剪接：研究人员还鉴定出了参与大麦干旱响应的关键转录因子（TF）家族。在叶片中，bHLH、MYB、ERF、NAC 和 WRKY 等 TF 家族发挥重要作用；在根中，ERF、bZIP、MYB、C2H2 和 bHLH 等 TF 家族较为突出 。这些转录因子通过调控基因表达，在大麦应对干旱的过程中起到了关键的调控作用。
4. 大麦根在干旱下的异构体动态变化：研究聚焦于大麦根在干旱胁迫下的异构体切换（IS）现象。以 BaRT2v18chr7HG378360 基因和 BaRT2v18chr5HG265630 基因 为例，干旱处理后，它们的某些异构体表达发生显著变化，这种变化有助于大麦在干旱条件下优化蛋白质功能，以更好地适应环境。
5. 干旱条件下大麦激素谱的改变：通过激素分析发现，干旱导致大麦叶片和根中的 ABA 含量显著增加，同时 ABA 衍生物也增多。茉莉酸（JA）及其衍生物在根和叶中的变化呈现相反趋势，根中减少而叶中增加。生长素（auxin）在根中增加，可能促进根的生长以获取更深层的水分；在叶中则相对稳定或有所调整，以平衡生长和胁迫响应。此外，赤霉素（GA8）在叶和根中的变化也不同，这些激素的协同变化共同调节大麦对干旱的响应。
6. 干旱胁迫下大麦根际微生物分析：对大麦根际微生物群落的评估发现，干旱条件下土壤微生物活性较低。在实验过程中，不同时间点对比分析发现，干旱初期细菌基因表达变化明显，后期差异不显著。通过培养和 PLFA 分析可知，土壤中活微生物数量少，以革兰氏阳性、产芽孢细菌为主。这表明在该研究条件下，植物自身的内在机制在干旱适应中起主要作用。

综合上述研究结果，干旱会诱导大麦发生深刻且具有器官特异性的重编程。在叶片中，光合作用相关基因下调，水分响应和 ABA 信号通路相关基因上调，这是叶片为应对干旱、减少水分散失和优化水分利用而采取的策略。而根则表现出更广泛的转录变化，包括大量的可变剪接和异构体切换，这些变化能够精细调整细胞功能，以优化水分吸收并维持生长。激素分析进一步揭示，ABA 在根中的大量积累，以及茉莉酸和生长素在不同器官中的特异性调节，在协调这些适应性反应中起着核心作用。虽然根际微生物群落受干旱影响且活性较低，但这也侧面表明在实验条件下，植物自身的内在机制是大麦适应干旱的主要驱动力。

这项研究全面揭示了大麦应对干旱的多层级策略，从基因表达、可变剪接、激素调节到根际微生物的相互作用，为我们理解植物适应干旱的机制提供了丰富的信息。这些发现对于培育更适应气候变化的作物品种具有重要的指导意义，有望帮助农业更好地应对日益严峻的干旱挑战，保障全球粮食安全。