青藏高原青稞干旱响应机制解析：转录组与生理整合分析揭示关键调控基因与通路

【字体：大中小】 时间：2025年07月26日 来源：Frontiers in Plant Science 4.8

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　　这篇研究通过整合转录组学(WGCNA)和生理参数分析，系统解析了6个青稞品种(3耐旱/3敏感)在PEG4000模拟干旱下的响应机制。研究发现耐旱品种通过差异表达基因(DEGs，共3,875个)和特定模块(如MEmaroon与ROS_DAB强相关)协调抗氧化酶(SOD/CAT/POD)活性、光合参数(Fv/Fm、NPQ)及生长指标。关键基因HvASPR(天冬氨酸蛋白酶)、HvHAB1(PP2C家族)、HvHVA22(ABA诱导蛋白)和HvPUT5(多胺转运体)在酵母异源表达中显著增强渗透胁迫抗性，qRT-PCR验证其在青稞中的干旱诱导表达模式，为高原作物抗旱育种提供新靶点。

1 引言

青藏高原特色作物青稞(Hordeum vulgare L. var. nudum)作为高海拔地区关键生态型作物，具有耐寒、抗旱、短生长周期等极端环境适应特性。随着全球变暖加剧，干旱胁迫已成为限制青稞产量的主要非生物胁迫因素。尽管已有研究报道青稞基因组特征及其与普通大麦的遗传分化，但对其干旱响应的分子机制仍知之甚少。本研究选取3个耐旱型(ZY97/ZY1100/ZY1252)和3个敏感型(YC83/YC85/YC88)青稞品种，通过16% PEG4000模拟干旱处理，结合抗氧化酶活性检测和多组学分析，系统解析其抗旱分子机制。

2 材料与方法

实验材料采用西藏农牧科学院提供的6个青稞品种，水培至第一真叶期后进行干旱处理。生理参数测定包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性，以及光合参数(净光合速率A、蒸腾速率E)、叶绿素荧光参数(Fv/Fm、NPQ)等。RNA-seq数据通过Illumina NovaSeq平台获取，使用DESeq2进行差异表达分析(阈值|log2FC|≥1且P≤0.05)，WGCNA分析采用无符号拓扑矩阵(β=9)。关键基因通过酵母异源表达验证渗透抗性，qRT-PCR检测其在冬青稞DQ18和春青稞ZQ3000中的表达模式。

3 结果

3.1 表型与生理响应

PEG处理导致所有品种出现叶片萎蔫，但耐旱品种ZY97的CAT活性显著升高，而敏感品种POD活性普遍增加。值得注意的是，所有品种SOD活性均显著提升，其中YC85和ZY1100变化最显著，提示SOD介导的ROS清除可能是青稞核心抗旱策略。

3.2 转录组特征分析

共鉴定到4,731个敏感品种特异性DEGs和3,875个耐旱品种DEGs。Venn分析发现36个基因为耐旱品种共有，包括HORVU_MOREX_r3_5HG0437090(注释为HVA22家族)等。MAPK通路基因HORVU_MOREX_r3_5HG0473680(PP2C蛋白)在耐旱品种中表达变化更显著，暗示其在干旱信号转导中的重要作用。

3.3 功能模块挖掘

WGCNA鉴定出89个共表达模块，其中MEmaroon与DAB积累强相关(r=0.80)，其枢纽基因HvASPR编码 atypical aspartic protease；MEsalmon2与生物量参数正相关，核心基因HvPUT5属于多胺转运体家族。GO分析显示MEblack模块(SOD相关)富集于碳水化合物代谢，MEcoral2模块(光合相关)参与囊泡运输。

3.4 关键基因功能验证

从7个克隆成功的候选基因中筛选出4个功能验证基因：

HvASPR：与拟南芥ASPR1(AT2G03200)相似度47.3%，定位于细胞质/核，酵母过表达显著提高1.5M甘露醇耐受性
HvHAB1：PP2C家族成员，与AtHAB1相似度48.7%，可能通过ABA信号通路调控抗旱性
HvHVA22：ABA诱导的应激蛋白，在酵母中使存活率提升2.3倍
HvPUT5：多胺转运体，与AtPUT5相似度71.9%，qRT-PCR显示其在DQ18中干旱处理后表达量激增4.8倍

4 讨论

研究揭示了青稞抗旱的双轨机制：耐旱品种优先激活CAT和HVA22等特异通路，而敏感品种依赖POD介导的抗氧化防御。MAPK-ABA信号交叉对话(如HvHAB1)和多胺转运(HvPUT5)的协同调控构成核心抗旱网络。与普通大麦相比，青稞特有的HvASPR可能通过调节ROS稳态增强胁迫适应，这与其高原生态位特性相符。