非编码RNA水平的整合分析揭示了双穗雀稗miR395e-PvUXS1通路的盐碱与干旱胁迫响应机制

《Plant Science》：Non-coding RNA levels integrating analysis revealed the salt and drought stress response mechanism of miR395e- PvUXS1 pathway in switchgrass

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  构建了多个调控网络，包括circRNA-miR395e-mRNA、circRNA-novel_miR446-mRNA和circRNA-novel_miR367-mRNA，这些网络参与柳氏草对短期盐胁迫的响应。
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  响应两种类型盐胁迫（短期和长期）的差异表达基因均显著富集于碳代谢和光合生物碳固定相关通路。
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  本研究为柳氏草在盐和干旱胁迫条件下的非编码RNA和mRNA共性调控提供了见解，揭示了miR395e-PvUXS1通路在柳氏草响应盐和干旱胁迫分子机制方面的新认识。

引言

非编码RNA（ncRNAs）在植物生长、发育、代谢和胁迫耐受性中发挥重要的调控作用（Wang等，2014）。例如，长链非编码RNA（lncRNA）LAL通过调控MtLHCB1的表达，有助于苜蓿属（Medicago truncatula）的耐盐性（Zhao等，2024）。在水稻（Oryza sativa）中，Os06circ02797通过结合并隔离miR408从而降低其活性，参与种子萌发过程中对盐胁迫的响应（Zhou等，2021）。此外，lncRNAs、环状RNA（circRNAs）和信使RNA（mRNAs）可以通过竞争共享的微小RNA（miRNA）响应元件而充当竞争性内源RNA（ceRNAs），从而影响多样的生物和发育过程。例如，在黄瓜（Cucumis sativus）高温胁迫下，通过miR9748及其靶基因的相互作用，鉴定出6个ceRNAs作为植物激素信号的调控因子（Li等，2022）。在棉花（Gossypium hirsutum）中，miR3367-lncRNA67-GhCYP724B模块通过调控黄烷醇类固醇合成正向调控雄性不育（Guo等，2024）。类似地，lncRNA81246干扰参与茶叶叶斑病抗性的miR164d-CsNAC1调控模块（Guo等，2025）。

在非编码RNA中，miRNAs是植物生长、发育和胁迫响应中公认的后转录调控因子（Li等，2017）。多个miRNAs，包括miR159、miR160、miR164、miR166、miR169、miR319、miR393、miR394、miR396、miR408、miR9668、miR6427、miR5062、miR2105和miR1432，已参与盐和/或干旱响应（Liu等，2019；He等，2025；Hou等，2025；Xiao等，2026）。miRNAs主要通过抑制靶mRNA翻译或促进转录本切割来调控基因表达（Marzec，2022）。在柳氏草（Panicum virgatum）中，破坏miR528功能显著增加分蘖数和生物量（Han等，2024）。在杨树（Populus tremuloides）中，miR6427及其互补链miR6427?分别通过调控CDSP32和AK6参与抗旱性（Yang等，2024）。在大豆（Glycine max）中，miR160a通过靶向参与生长素信号传导的生长素响应因子GmARF16来增强耐盐性（Wang等，2024）。miR395家族在单子叶和双子叶植物中高度保守（Jones-Rhoades等，2006），尽管不同物种中miR395位点的数量不同；在拟南芥中鉴定出6个位点，在水稻中为25个。miR395家族成员参与植物生长和生物胁迫响应（Liu等，2022）。例如，过表达miR395的拟南芥植株地上部生物量减少并出现轻度叶片黄化（Liang等，2010）。在水稻中，miR395靶向OsAPS1、OsSULTR2;1和OsSULTR2;2，从而调控硫酸盐代谢并影响对病原菌的抗性（Yang等，2022）。在苹果（Malus pumila）中，miR395靶向参与叶斑病抗性的WRKY转录因子（Zhang等，2017）。然而，miR395家族成员在非生物胁迫响应中的作用尚未完全阐明，尤其在柳氏草中。

干旱和盐分等非生物胁迫强烈限制植物生长和发育（Yu等，2020）。植物细胞壁不仅提供结构支撑，还参与环境胁迫的感知和响应。细胞壁相关受体激酶和信号肽可以激活下游Ca²⁺、SOS、MAPK等信号通路以维持细胞壁完整性和增强胁迫耐受性（Agata等，2024；Colin等，2023）。植物细胞壁由初生壁和次生壁组成，含有果胶、纤维素、半纤维素、木质素和结构蛋白（Liu等，2024）。木聚糖和木葡聚糖是植物细胞壁的主要半纤维素组分，对植物生长、发育和非生物胁迫响应具有重要作用。其合成需要持续供应UDP-木糖，该物质由UDP-葡萄糖醛酸脱羧酶（UXS）从UDP-葡萄糖醛酸（UDP-GlcA）产生，UXS是木聚糖合成的关键酶（Zhong等，2017）。在水稻中，UDP-葡萄糖醛酸脱羧酶基因OsUXS3有助于盐胁迫下Na⁺/K⁺稳态维持和Na⁺毒性耐受（Shen等，2023）。然而，在许多植物物种中，UXS基因在干旱和盐响应中的功能仍未得到充分表征。

柳氏草是禾本科C4多年生草本植物，既是饲用作物也是生物能源作物，适应盐碱、半干旱和干旱易发环境。其在边际土地上生长的能力使其成为减少与高质量农田粮食生产竞争的理想作物。尽管具有这种潜力，柳氏草对盐和干旱胁迫响应的共有调控机制尚未得到充分阐明。此前的研究表明，miR395通过靶向ATP硫酸化酶基因APS调控地上部硫酸盐积累，并通过切割SULTR2;1控制水稻叶片间硫酸盐的重新分配。在此，我们结合mRNA和ncRNA分析，鉴定了柳氏草盐和干旱胁迫之间共享的调控网络。我们进一步发现PvUXS1是miR395e的靶标，并在两种胁迫下观察到miR395e与PvUXS1呈反向表达模式。这些发现表明，miR395e-PvUXS1模块可能参与柳氏草对盐和干旱胁迫的协调响应。

章节摘要

植物材料和培养条件

实验所用柳氏草鹿草3号种子（低地型，2?n = 4x = 36）由山东省农业科学院（中国山东省济南市）提供。利用这些种子诱导愈伤组织，本研究中的植物材料由鹿草3号单颗成熟种子来源的胚性愈伤组织再生而来（Liu等，2015）。再生幼苗转移至温室，在16小时光照/8小时黑暗控制的条件下培养。

柳氏草对300?mM NaCl胁迫的生理响应

幼苗期在温室条件下进行盐胁迫处理。处理14天后，可见的胁迫症状，包括叶片皱缩和萎蔫变得明显。盐处理植株株高增长明显慢于对照植株，即使接受300?mM NaCl处理也未观察到死亡（图1A-B）。为进一步表征盐胁迫下的生理响应，测定了叶片相对含水量（RWC）、脯氨酸含量等指标。

讨论

土壤盐渍化和干旱是全球作物生产的主要环境限制因素。据报道，全球超过20%的农田和50%的灌溉土地受到盐渍化的威胁（Ma等，2025），而干旱在全球范围内造成作物生产的重大经济损失（Gupta等，2020）。因此，提高作物对这些胁迫的耐受性需要更清楚地了解协调渗透、离子和氧化胁迫响应的分子机制。

登录号

在盐胁迫下产生的柳氏草全转录组RNA测序数据已存入NCBI序列读取档案（SRA），登录号为PRJNA1492856。我们之前研究的柳氏草在干旱胁迫下的全转录组RNA测序数据（Guan等，2024）可在NCBI SRA中获取，登录号为PRJNA1006217。

资助

本研究得到山东省自然科学基金（ZR2025MS412）、国家自然科学基金（32201455）和山东省重点研发计划项目（WSR2023050和2024SFGC0404）的支持。

CRediT作者贡献声明

Jingying Zhang：研究方法。Basigalupa Horacio Daniel：撰写——审阅与编辑。Xinyao Yang：研究方法。Yongbai Zhang：研究方法。Zichen Zou：软件。Minli Xu：研究方法。Chu Wang：软件、研究方法。Bo Wu：软件。Cong Guan：撰写——初稿、研究方法、资金获取、数据整理。Tingting Wang：撰写——初稿、研究方法。Chunlin Jia：撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本文所报告的工作。

Cong Guan|Tingting Wang|Chu Wang|Bo Wu|Zichen Zou|Minli Xu|Xinyao Yang|Yongbai Zhang|Jingying Zhang|Horacio Daniel Basigalup|Chunlin Jia