干旱和盐胁迫下油菜（甘蓝型油菜）中环状 RNA 及其靶基因的特征分析：全基因组分析、生理响应及基因表达谱分析

《South African Journal of Botany》：Characterization of circular RNAs and their target genes in rapeseed ( Brassica napus L.) under drought and salinity stresses: Genome-wide analysis, physiological responses, and gene expression profiling

　　

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  首次全面鉴定了干旱和盐胁迫下油菜中的 circRNAs。
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  过氧化物酶和过氧化氢酶的活性受到盐胁迫和干旱胁迫的显著影响。
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  特定的 circRNAs，如 BncircRNA1 和 BncircRNA3，表现出高且持续的差异表达，使其成为用于胁迫筛选的潜在 生物标志物。
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  通过将 circRNAs 调控网络映射到关键生理障碍，这项工作为通过针对性遗传改良开发耐逆油菜品种奠定了 机制基础。

引言

油菜（Brassica napus L.）是一种重要的油料作物，因其含油和含蛋白量而备受重视。种子通常含有约 24.8% 的油脂和 24% 的蛋白质，尽管含油量会根据具体品种和生长条件而有所不同（Reddy et al., 2024; Cartea et al., 2019）。在伊朗，油菜单产为 1871 kg/ha，略低于全球平均水平的 2114.4 kg/ha。同年，全球油菜产量总计约 9.19 × 10⁷ 吨，伊朗的油菜产量达到 29 万吨（FAO, 2023）。

干旱胁迫是全球农业生产的主要限制因素，对植物生长的所有阶段，尤其是萌发、开花和籽粒形成产生负面影响（Raziei et al., 2005; O?uz et al., 2022）。干旱条件会诱发各种生理和生化变化，如叶面积减少、植物水分关系破坏以及光合速率下降，最终导致作物产量降低（Ahmed et al., 2024）。干旱可以改变根际微生物组并影响植物与微生物的相互作用，从而可能影响植物的耐性（Xu et al., 2018）。植物采用各种机制来应对干旱，包括增加根系深度和修改叶片结构以最小化水分流失（Osmolovskaya et al., 2018）。了解这些响应并制定有效策略以克服不利条件，对于减少干旱对农业的负面影响和增加作物产量至关重要（Chieb and Gachomo, 2023）。植物因干旱而发生的变化突显了其对生命过程的不良影响，导致光合效率降低和其他代谢活动减少（Shinozaki and Yamaguchi-Shinozaki, 2007）。

盐分对萌发、植物活力和作物产量有负面影响。不恰当的水资源利用加剧了这一问题，影响了许多农业用地并降低了生产力（Sorkheh et al., 2014）。全球约 20% 的农业用地受盐分影响，且这一比例正在增加（Gupta and Huang, 2014）。为了对抗盐胁迫，植物采用各种生理策略，包括增加跨膜的电化学梯度以排出钠离子（Na⁺），产生小有机化合物以调节渗透压，并激活抗氧化酶以防止氧化损伤（Fang et al., 2021）。

渗透胁迫、营养失衡和有毒离子的积累是诱发胁迫并破坏植物生长过程的关键因素（Sunita et al., 2020; Kumar et al., 2020; Shahid et al., 2020）。植物通常通过增强抗氧化酶的活性来响应盐分，这有助于减轻活性氧（ROS）的影响。这种响应可以增强对盐胁迫的耐性并改善萌发结果（Shahverdi et al., 2017; Khan et al., 2022）。脯氨酸（Pro）作为一种自由基清除剂，靶向清除氢氧自由基、过氧化氢（H₂O₂）和超氧化物等自由基，这有助于减少氧化胁迫并保护细胞成分免受损伤（Kosová et al., 2013; Fiorillo et al., 2023）。了解非生物胁迫下复杂的生理适应需要深入了解潜在的分子机制。近年来，一类新的调控分子——环状 RNA，作为协调基因表达以响应环境挑战的潜在关键参与者而涌现。由于这些分子具有独特的结构和稳定性，为研究控制非生物胁迫耐性的精确调控网络提供了一条有希望的途径。

环状 RNA（circRNAs）是一类非编码 RNA，其独特的环状和闭合结构使其比线性 RNA 具有更高的稳定性。这些分子在三十年前被发现，在真核生物中调节基因表达和响应胁迫方面发挥着重要作用（Fischer and Leung, 2017; Patop et al., 2019）。CircRNAs 由许多基因产生；它们可以作为转录和转录后调控因子，通过与 miRNA 相互作用显著影响基因表达。具体而言，这些 RNA 充当 miRNA 海绵，通过隔离这些调控分子来调节 miRNA 的可及性和活性（Holdt et al., 2017; Wang et al., 2017a, 2019）。根据其来源，circRNAs 被分为外显子型、内含子型和外显子 - 内含子型 circRNAs（Wang et al., 2017a）。CircRNAs 主要通过反向剪接形成，其环状结构增强了其对抗外切酶介导降解的稳定性（Nisar et al., 2021; Meng et al., 2022）。

CircRNAs 在植物和动物之间存在显著差异。在植物中，circRNAs 通常由比动物对应物更长的内含子侧翼，且重复元件较少（Ye et al., 2015; Zhang et al., 2020b）。已知 circRNAs 可充当 miRNA 海绵，但它们的作用在植物中仍然很大程度上未被探索（Zhao et al., 2019; Guria et al., 2020）。

虽然 circRNAs 在胁迫响应中的作用正在显现，但它们在 Brassica napus 受干旱和盐胁迫下的调控网络在很大程度上仍未被表征。具体而言，现有文献缺乏系统的高通量分析来鉴定这种经济重要作物在响应干旱和盐胁迫时差异表达的 circRNAs（DE-circRNAs）及其功能靶基因的全谱。因此，本研究旨在：（1）构建 B. napus 幼苗受干旱和盐胁迫下的综合 circRNAs 转录组谱；（2）使用 qPCR 验证关键 circRNA-miRNA-mRNA 的表达；（3）阐明受调控最显著的 circRNAs 在减轻同时渗透胁迫和离子胁迫的不良生理效应中的功能作用。这项工作提供了关于调控油菜非生物胁迫耐性的 circRNA 调控景观的首次功能见解，从而为作物改良提供了新的分子靶点。

章节摘要

材料与方法

本研究于 2023 年至 2024 年进行，主要关注三个领域：温室研究、生物信息学和实验室实验。

测序质量和读段比对

质量分数通常在 0 到 40 之间，作为碱基识别准确性的指标。我们的分析表明，正向和反向序列的质量分数均持续超过 30，证实了卓越的测序质量和较低的错误概率（补充图 2A 和 2B）。Phred 分数高于 30 以及核苷酸频率（A、T、C 和 G）的均匀分布进一步证实了这种高质量（补充图 2C 和 2D）。此外，

讨论

气候变化日益导致不利环境事件的频繁发生，其中多种非生物胁迫同时出现，从而加剧了其有害影响。目前，全球约 40% 的土地面积受干旱影响，而 7% 面临盐分挑战；这两个因素被认为是全球农业生产力的主要限制因素（Trenberth et al., 2014）。近年来，环状 RNA（circRNAs）的存在已被

结论

本研究提供了 circRNAs 及其在油菜响应干旱和盐胁迫中潜在参与情况的全面表征。CIRI2 和 CIRI-full 分别鉴定了 637 个和 759 个 circRNAs。胁迫特异性分类显示，在干旱胁迫下，检测到 275 个外显子型、27 个内含子型和 226 个基因间 circRNAs，而在盐胁迫下，鉴定了 23 个外显子型、2 个内含子型和 113 个基因间 circRNAs。功能注释和

资金

本研究没有任何外部支持。

数据和材料的可用性

本研究中使用的油菜核苷酸和蛋白质序列是从 NCBI 数据库（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）和相关数据库下载的。支持本文结果的数据集包含在文章和支持性附加文件中。

伦理、参与同意和出版同意声明

不适用。

CRediT 作者贡献声明

Kosar Mashhadi Mosapour: 写作 – 原稿，调查，形式分析，数据整理，概念化。 Karim Sorkheh: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。 Seyyed Mohsen Sohrabi: 写作 – 审查与编辑，可视化，监督，项目管理，调查，资金获取，概念化。

竞争利益声明

作者声明无竞争利益。

致谢

作者感谢阿瓦士沙希德·昌兰大学为本研究提供的资金支持。

Kosar Mashhadi Mosapour|Karim Sorkheh|Seyyed Mohsen Sohrabi