《Scientia Horticulturae》：Comparative transcriptomic analysis reveals distinct drought-response patterns in
Chrysanthemum morifolium ‘Jinsihuangju’ and
Chrysanthemum chanetii
编辑推荐：
干旱胁迫是限制植物生长发育、农业生产力和园艺作物可持续利用的主要非生物胁迫之一。在持续气候变化背景下，极端干旱事件发生频率和强度不断增加，加剧了植物水分亏缺。干旱条件下，植物通常表现出生长抑制、叶片卷曲、黄化及萎蔫等症状。为应对水分亏缺，植物通过增强抗氧化防御
干旱胁迫是限制植物生长发育、农业生产力和园艺作物可持续利用的主要非生物胁迫之一。在持续气候变化背景下，极端干旱事件发生频率和强度不断增加，加剧了植物水分亏缺。干旱条件下，植物通常表现出生长抑制、叶片卷曲、黄化及萎蔫等症状。为应对水分亏缺，植物通过增强抗氧化防御和渗透调节来维持细胞渗透稳态，并提升其胁迫适应能力。
植物对干旱的响应受涉及多基因和多通路的复杂多层调控网络支配。干旱胁迫诱导大量胁迫响应基因表达，其中WRKY、NAC和MYB等转录因子家族调控下游胁迫相关基因，参与活性氧（ROS）清除、渗透调节、激素信号转导及代谢重编程。因此，基于单一生理性状或单个基因的分析不足以全面阐明干旱耐受机制，需采用高通量组学方法在全局表达水平上鉴定关键响应基因、功能通路和调控因子。
RNA测序（RNA-seq）已成为解析植物基因表达调控和胁迫响应机制的重要方法。菊花具有多倍体背景和高度遗传异质性的复杂基因组。长读长转录组测序凭借延长读长和提高转录本完整性的优势，可为解析复杂转录结构和鉴定胁迫耐受相关候选基因提供更可靠信息。因此，将长读长转录组测序应用于菊花干旱响应研究，有助于全面鉴定关键响应基因和调控通路，从而揭示干旱适应的分子基础。
菊花（Chrysanthemum morifolium）为菊科多年生草本植物，是中国最重要的传统花卉之一，因其观赏、食用和经济价值在全球广泛栽培。然而，菊花的生长发育极易受干旱影响，水分亏缺成为菊花可持续生产的主要环境限制因素。近年来，极端气候事件特别是干旱发生频率和强度的增加，对菊花生产构成日益严峻的挑战。因此，提高抗旱性对菊花的可持续栽培和利用至关重要。阐明菊花响应干旱胁迫的分子机制，特别是不同菊花种质资源间的差异响应机制，对鉴定关键抗旱基因和培育抗旱菊花品种具有重要意义。
野菊（Chrysanthemum chanetii H. Lév.，XHJ）和菊花（Chrysanthemum morifolium）‘金丝黄菊’（JSHJ）均为菊科菊属多年生草本植物。XHJ广泛分布于中国北方，常见于草地、山坡林缘、河滩地和沟边，表明其适应多样化的自然生境。相比之下，JSHJ为栽培菊花品种。此前对栽培菊花（C. morifolium）的研究表明，干旱响应涉及ABA积累、气孔调节、膜稳定性、抗氧化防御和转录调控。菊花物种及种间后代间也检测到抗旱性的显著遗传变异，凸显了野生种质在抗旱改良中的重要性。然而，XHJ和JSHJ在干旱胁迫下的形态、生理和转录组差异仍知之甚少，观赏植物干旱响应的比较转录组研究也相对有限。基于上述背景，研究人员假设XHJ和JSHJ可能表现出不同的干旱响应模式，该模式与多个功能模块的协调调控相关，这些模块有助于干旱胁迫下维持生理稳态，而非仅仅在转录响应总体幅度上存在差异。为验证该假设，以XHJ和JSHJ为试验材料，整合表型观察、生理测定、转录组测序、GO/KEGG富集分析和qRT-PCR验证，系统比较其在干旱胁迫下的差异响应及潜在调控机制。该研究为抗旱菊花种质的育种导向评价和利用提供了候选转录本资源和理论参考。
一、研究背景与科学问题
干旱胁迫是制约植物生长发育、农业生产力和园艺作物可持续利用的主要非生物胁迫之一。在全球气候变化背景下，极端干旱事件发生频率和强度持续增加，加剧了植物水分亏缺。菊花作为中国重要的传统花卉，具有观赏、食用和经济多重价值，但其生长发育对干旱高度敏感，水分亏缺已成为菊花可持续生产的主要环境限制因素。菊花基因组具有多倍体背景和高度遗传异质性，传统基于单一生理性状或单个基因的分析难以全面阐明其干旱耐受机制。尽管不同菊花种质间已检测到抗旱性的显著遗传变异，但野生种质与栽培品种在干旱胁迫下的形态、生理和转录组差异仍缺乏系统比较。因此，研究人员以野生菊（Chrysanthemum chanetii H. Lév.，XHJ）和栽培菊花（Chrysanthemum morifolium）‘金丝黄菊’（JSHJ）为材料，整合表型观察、生理测定、长读长转录组测序和qRT-PCR验证，系统比较两种菊花材料在干旱胁迫下的差异响应及潜在调控机制，为抗旱菊花品种选育提供理论依据和候选基因资源。
二、研究设计与主要技术方法
研究人员于2024年10月4日从内蒙古乌兰察布市卓资县采集野生XHJ植株，同日从当地花卉市场获取JSHJ扦插苗，在相同温室条件下驯化4周后，于2025年5月1日开展干旱处理试验。每个材料设正常浇水对照（CK）和停水10天干旱处理（GH），各3个生物学重复。研究采用以下关键技术方法：一是Oxford Nanopore Technologies（ONT）长读长转录组测序，构建cDNA-PCR文库后在PromethION平台测序，经Pinfish和cDNA_Cupcake等流程处理获得60531条非冗余转录本；二是基于DESeq2的差异表达分析，以|log?Fold Change|≥1和FDR<0.01为筛选标准，并采用包含材料、处理及其交互项的因子设计区分基线差异与干旱响应差异；三是Gene Ontology（GO）和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes（KEGG）富集分析；四是qRT-PCR验证，以18S rRNA为内参基因，采用2–ΔΔCt法验证20个候选基因的表达模式。
三、主要研究结果
3.1 形态响应差异
干旱胁迫显著影响两种菊花材料的地上部分形态。随着干旱持续时间延长，JSHJ表现出逐渐加重的叶片萎蔫卷曲、冠层收缩、黄化和部分叶片干枯；XHJ虽出现轻微叶片黄化、局部干枯和轻度萎蔫，但整体冠层结构保持相对完整，保留更多绿色叶片，表现出更强的形态维持能力。第10天时，XHJ株高相对降低44.19%，JSHJ降低21.08%；冠幅方面，XHJ相对降低23.23%，JSHJ降低36.97%。混合效应模型分析显示，材料与处理交互作用对株高和冠幅均不显著，但处理与时间交互作用均显著，表明干旱效应在两种材料中均随时间变化。
3.2 生理响应差异
干旱胁迫下两种材料的丙二醛（MDA）含量均显著升高。XHJ的MDA从10.51升至26.40，相对增加151.25%；JSHJ从27.67升至39.12，相对增加41.38%。JSHJ在对照条件下即表现出远高于XHJ的MDA水平，干旱后仍保持较高绝对值。抗氧化酶活性方面，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性在两种材料中均显著升高，其中JSHJ的升幅更大（SOD、POD、APX分别增加203.17%、180.80%和342.60%），而过氧化氢酶（CAT）活性仅在JSHJ中显著升高。渗透调节物质方面，脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SP）和可溶性糖（SS）含量在两种材料中均显著增加。XHJ的Pro相对增加7246.30%，但因其基线水平极低；JSHJ的Pro绝对增加量更大（4385.89 μg g–1 FW），干旱后绝对含量也更高。叶绿素和类胡萝卜素含量在两种材料中均呈上升趋势，但色素含量反映的是色素池净大小而非瞬时光合活性。
3.3 转录组测序与差异表达分析
12个cDNA文库共获得5.72×106–7.70×106条reads，N50范围为944–1199 bp，平均质量分数为Q15–Q16。去冗余后共获得60531条非冗余转录本。样本间相关性分析显示生物学重复间一致性良好。差异表达分析鉴定出JSHJ-GH vs JSHJ-CK比较组3502个差异表达转录本（DETs）（1288个上调，2214个下调），XHJ-GH vs XHJ-CK比较组3792个DETs（1557个上调，2235个下调），JSHJ-GH vs XHJ-GH比较组13045个DETs。对照条件下XHJ-CK vs JSHJ-CK比较组鉴定出8573个DETs，证实两种材料间存在广泛的基线转录差异。因子设计分析鉴定出630个显著的材料×处理交互响应转录本，其中147个在XHJ中上调但在JSHJ中下调，204个呈相反响应模式。韦恩分析显示，两种材料共享359个共同上调转录本和582个共同下调转录本，表明共享干旱响应主要呈同向调控。
3.4 功能富集分析
GO分类显示，JSHJ的DETs在光合作用、叶绿素结合和光捕获相关GO条目中更为突出，而XHJ的DETs在响应刺激、响应胁迫、响应非生物刺激、响应氧化胁迫和跨膜转运蛋白活性等条目中富集更显著。KEGG富集分析表明，JSHJ的DETs主要富集于碳代谢、光合作用-天线蛋白、光合作用、光合生物碳固定等通路；XHJ的DETs主要富集于植物激素信号转导、MAPK信号通路、过氧化物酶体、谷胱甘肽代谢和内质网蛋白质加工等通路。
3.5 关键功能通路分析
光合作用相关DETs方面，JSHJ中14个LHC/CAB转录本全部下调，而XHJ中虽有11个下调，但CAB1B、CAB3C、AB80和LHCB4.1等4个转录本上调。模块水平上，JSHJ在光捕获复合体（LHC）、光系统I（PSI）和碳固定相关转录本上呈现更负的平均log?FC值。抗氧化防御相关DETs方面，XHJ含有更多响应转录本（54个vs 31个），其中SOD、GST、MDHAR和TRX相关转录本上调更为显著。淀粉和蔗糖代谢方面，JSHJ含有更多DETs且下调比例更高，而XHJ中多个蔗糖合酶（SUS）、转化酶（INV）和β-淀粉酶（BAM）转录本上调，表明XHJ可能通过调控蔗糖代谢和淀粉降解维持碳代谢灵活性。
3.6 候选调控因子鉴定
共鉴定出7724个调控转录本，归属于215个家族，包括2990个转录因子（TFs）、808个转录调控因子（TRs）和3926个蛋白激酶（PKs）。转录因子中，AP2/ERF家族的ERF亚家族成员最多（245个），其次为bHLH（210个）、MYB（205个）、NAC（201个）、C2H2（184个）、MYB-related（146个）、WRKY（138个）、C3H（138个）、GRAS（118个）和bZIP（114个）。在JSHJ-GH vs XHJ-GH比较组中，MYB、NAC、AP2/ERF、bHLH和bZIP家族的大多数DETs在JSHJ-GH中相对高表达，而WRKY家族DETs在两种材料间分布较均匀。
3.7 qRT-PCR验证
20个候选基因的qRT-PCR结果与RNA-seq表达趋势总体一致。18S rRNA的Ct值在四个实验组间变异有限，双因素方差分析未检测到材料、处理及其交互作用的显著效应，支持其作为内参基因的稳定性。尽管个别基因（如JSHJ中的CHR00056386）在生物学重复间表现出较大变异，但总体表达方向的一致性支持RNA-seq表达模式的可靠性。
四、讨论与结论
讨论部分提出一个描述性功能模块协调模型：XHJ较好的干旱表现可能与光合作用相关转录本的相对温和响应、抗氧化防御和碳代谢的协调调控相关。XHJ虽未表现出最强的转录激活，但维持了较低的MDA水平和较好的冠层完整性，表明维持生理稳态可能比转录响应强度对抗旱性贡献更大。相比之下，JSHJ表现出"高响应-高损伤"模式，更强的抗氧化和转录响应与更严重的膜脂过氧化和形态损伤并存。研究强调，两种材料间13,045个DETs包含大量遗传背景相关差异，不能仅归因于干旱响应差异；630个显著交互作用转录本为两种材料的差异化干旱响应转录模式提供了更直接的统计证据。研究还指出，XHJ作为野生种质在菊花改良中具有潜在价值，但其与栽培菊花的杂交亲和性尚待确定，干旱响应转录本相关的序列多态性可用于开发SNP、InDel、SSR或KASP标记，应用于标记辅助选择以改良栽培菊花抗旱性。
研究结论为：XHJ在干旱胁迫下表现出优于JSHJ的干旱表现，体现在冠层结构维持较好和MDA水平较低。两种材料在干旱下均积累渗透调节物质，但响应模式不同：XHJ的Pro和SS相对增幅更大，而JSHJ维持更高的Pro绝对含量并表现出更大的Pro绝对增加量。RNA-seq分析分别鉴定出JSHJ和XHJ中3502个和3792个DETs，因子分析进一步鉴定出630个交互响应转录本。这些DETs主要涉及光合作用、抗氧化防御、淀粉和蔗糖代谢、蛋白质稳态调控和转录调控。综合分析表明，XHJ可能通过光合作用、抗氧化防御和碳代谢相关功能模块的协调调控维持细胞稳态；JSHJ则表现出更强的胁迫转录响应和更高的氧化损伤水平，呈现"高响应-高损伤"响应模式。基于这些发现，研究提出了概括两种菊花材料对比干旱响应模式的工作模型，鉴定的转录本为抗旱菊花育种提供了候选资源。
