转录组与生理整合分析揭示盐地碱蓬细胞膨大促进器官肉质化的分子机制

为解决盐胁迫下植物器官肉质化机制不明的问题，研究人员通过整合转录组和生理学分析，探究NaCl和CaCl2处理对盐地碱蓬(Suaeda salsa)叶片肉质化的调控作用。研究发现Na+和Ca2+通过激活生长素信号通路(SAURs)、上调细胞壁重塑基因(XTHs/EXPs/LRXs)及水通道蛋白(AQPs)，协同促进细胞膨大与水分储存，为作物耐盐性改良提供新靶点。

　　

随着全球土壤盐渍化加剧，超过90%的农作物如水稻和小麦因耐盐性丧失而减产，开发耐盐作物成为保障粮食安全的迫切需求。盐生植物如盐地碱蓬(Suaeda salsa)能在200 mM NaCl的高盐环境中存活，其叶片肉质化（器官增厚含水）是关键的耐盐适应策略，但细胞膨大驱动肉质化的分子机制尚不明确。中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室的研究人员通过整合转录组学和生理学分析，揭示了Na⁺和Ca²⁺通过调控生长素信号、细胞壁松弛和水运输通路协同促进肉质化的机制，相关成果发表在《Environmental and Experimental Botany》。

研究采用梯度盐处理（0-150 mM NaCl和0-75 mM CaCl₂）培养盐地碱蓬42天，测定叶片肉质化指数、表皮细胞形态和离子含量；通过RNA-seq筛选差异基因，结合qPCR验证关键基因表达；利用扫描电镜观察细胞结构，并通过蛋白互作网络(PPI)分析信号通路关联性。

3.1 叶片肉质化与气体交换

NaCl和CaCl₂处理使叶片肉质化程度提高2.7倍，表皮细胞面积扩大276%，但细胞数量减少74%。光合速率(Pn)在单独NaCl处理时升高，而CaCl₂复合处理则抑制Pn，表明离子互作存在调控差异。

3.2 细胞壁组分变化

盐处理显著增加纤维素、半纤维素和果胶含量，其中75 mM CaCl₂处理效果最显著，为细胞扩张提供结构基础。

3.3 转录组分析

KEGG富集显示植物激素信号转导(ko04075)和MAPK通路(ko04016)是关键通路。生长素响应基因SAURs表达上调2-5倍，与细胞壁松弛基因EXPA10存在强互作(STRING评分0.638)。

3.5 表皮细胞调控机制

XTH23、EXP10和LRX5等细胞壁重塑基因表达显著升高，协同PM H⁺-ATPase(AHA4)促进细胞壁延展性。

3.6 水分运输调控

盐处理上调液泡膜水通道蛋白TIP3-2和NIP2-1表达，提升叶片含水量；同时通过抑制K⁺吸收降低气孔导度(Gs)，提高水分利用效率(WUE)达30%。

3.7 离子稳态

Na⁺和Cl^-在叶片中积累，而Ca²⁺通过CAX3转运体进入液泡，共同降低渗透势驱动水分吸收。

4. 讨论与结论

该研究首次阐明盐地碱蓬肉质化的多维度调控网络：1)生长素信号SAURs通过抑制PP2C.D磷酸酶激活H⁺-ATPase，酸化细胞壁促进EXP活性；2)XTHs/EXPs/LRXs重构纤维素-半纤维素网络增强延展性；3)TIPs介导的液泡水分储存与离子区隔化协同增大细胞体积。这一发现为解析盐生植物适应性进化提供新视角，通过靶向调控SAUR-EXP模块或AQPs，有望培育兼具耐盐性与产量的作物，对盐渍土农业可持续发展具有重要实践意义。