盐生植物滨藜（Atriplex halimus L.）反复干旱响应的激素与转录组重编程机制

《Plant Physiology and Biochemistry》：Hormonal and transcriptomic reprogramming underlie responses to recurrent drought in the halophyte Atriplex halimus L.

　　

研究人员以旱生盐生植物滨藜（Atriplex halimus L.）为材料，通过设置对照（C）及一次（D1）、两次（D2）、三次（D3）干旱循环处理，结合叶片气体交换、叶绿素荧光、水分关系、光合色素、植物激素（脱落酸（ABA）、吲哚-3-乙酸（IAA）、茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）、赤霉素3（GA₃））、抗氧化酶活性及RNA-seq分析，研究了反复干旱对该物种生理、生化和转录水平的影响。结果表明，滨藜在反复干旱下表现出三阶段响应策略：首次干旱时，以ABA为主导的快速水分保护反应触发气孔关闭和渗透调节；随后的干旱事件（D2）中，激素信号转向JA和SA，形成启动状态，持续抑制光合作用以减轻潜在光氧化损伤；至第三次干旱（D3）时，转录组发生广泛重编程，下调与防御、发育和细胞骨架相关的基因，而优先维持叶绿体结构、储备代谢和基础细胞保护，进入资源节约型存活状态。该过程伴随光合色素含量下降、渗透势降低、抗氧化酶活性动态调整以及大量差异表达基因的阶段性变化。研究揭示了盐生植物通过激素信号转换和转录组重编程适应反复干旱的机制，为理解植物胁迫记忆提供了新视角。

植物在自然环境中常遭受反复的环境胁迫，先前的胁迫经历可改变其对后续胁迫事件的生化、生理和转录响应，这一现象被称为“胁迫记忆”或“胁迫启动”。干旱是影响植物生长和生产力最严重的非生物胁迫之一，随着气候变化，其发生频率和强度预计将不断增加。盐生植物，尤其是旱生盐生植物，天然适应渗透胁迫并具备高效的抗旱机制，是研究植物胁迫记忆的理想模型。然而，目前关于盐生植物胁迫记忆机制的研究甚少，已有工作多关注盐胁迫后干旱等不同胁迫相继发生的交叉耐受，而非同一干旱胁迫的重复冲击。因此，理解旱生盐生植物在反复干旱下如何动态调整其生理和分子机制，具有重要意义。

研究人员以旱生盐生植物滨藜（Atriplex halimus L.）为对象，在西班牙塞维利亚大学研究与技术创新中心（CITIUS II）温室中开展试验。供试植株购自西班牙穆尔西亚Viveros Muzalé苗圃，移栽于有机基质盆中，于温室条件下适应30天。共设置4个处理：持续灌溉对照（C）、一次干旱（D1）、两次干旱（D2）和三次干旱（D3）。每个干旱循环由脱水阶段（土壤含水量降至田间持水量的0%–5%，并维持2天）和复水阶段（重新灌溉至田间持水量，维持2天）构成。生理测定和取样均在每次循环结束后进行。主要技术方法包括：利用红外气体分析仪测定气体交换参数；采用便携式调制荧光仪和OJIP叶绿素荧光动力学分析光系统II（PSII）功能；用压力室和渗压计分别测定茎水势（Ψ_W）和叶渗透势（Ψ_o）；分光光度法测定光合色素含量；超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-QToF）测定激素；紫外/可见分光光度法测定过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和超氧化物歧化酶（SOD）活性。转录组分析中，每个处理取12株植物的混合叶片，分成3个独立生物学重复，提取总RNA后构建Illumina文库，在NovaSeq 6000平台进行150 bp双端测序；数据经质控、比对到近缘种Atriplex hortensis参考基因组后，用DESeq2鉴定差异表达基因（DEGs），并进行基因本体（GO）富集分析。

研究人员通过上述研究，得出以下结果：

3.1 光合性能：与对照相比，D1、D2和D3处理的净光合速率（A_N）和气孔导度（g_s）均显著降低；胞间CO₂浓度（C_i）无显著差异；内在水分利用效率（iWUE）在D3显著下降。最大光化学效率（F_v/F_m）在D2略有升高，但总体保持稳定。D1时电子传递速率（ETR）和PSII实际光量子效率（Φ_PSII）显著低于对照，非光化学淬灭（NPQ）显著升高；而D2和D3这些参数均恢复至对照水平。

3.2 水分关系：所有干旱处理的叶渗透势（Ψ_o）均比对照显著更负，表明叶片主动积累渗透调节物质。茎水势（Ψ_W）和含水量仅在D2时出现轻微但显著的降低。

3.3 叶片光合色素：叶绿素a（Chl a）含量在D2和D3显著低于对照；叶绿素b（Chl b）仅在D3显著下降；总类胡萝卜素（CC+X）在D1和D3显著降低，D2处于中间值；去环氧化状态（DES）在各处理间无显著差异。

3.4 激素和抗氧化响应：脱落酸（ABA）和吲哚-3-乙酸（IAA）浓度在D1急剧升高，此后虽逐渐回落，但D2和D3仍显著高于对照；茉莉酸（JA）在D1低于对照，D2和D3显著升高并超过对照；水杨酸（SA）在D2和D3显著升高；赤霉素3（GA₃）在D2和D3显著下降。抗氧化酶方面，CAT活性在各处理间无显著差异；APX活性仅在D1显著升高；SOD活性在D1显著低于对照，随后在D2和D3升高，与对照无显著差异。

3.5 叶片转录组响应：转录组分析共鉴定到D1处理2076个DEGs（964个上调、1112个下调），D2处理2109个DEGs（983个上调、1126个下调），D3处理1382个DEGs（572个上调、810个下调）。GO富集分析显示，D1显著下调翻译、核糖体生物发生、RNA加工和细胞壁组织相关过程，上调光系统II修复和叶绿醌生物合成等叶绿体相关过程；D2上调细胞周期和DNA相关过程，下调类别分布更广；D3上调翻译、叶绿体相关过程、氨酰-tRNA生物合成和磷脂代谢，下调发育、防御和细胞骨架组织相关过程。值得注意的是，水运输和水剥夺响应相关的GO项仅在D1和D2富集，在D3消失，表明反复干旱改变了转录组响应方向。

讨论部分指出，滨藜在反复干旱下经历了一个从急性保护到资源节约的转变。首次干旱时ABA介导气孔关闭和渗透调节，快速降低光合作用以节约水分；第二次干旱时激素信号转向JA/SA，维持光合抑制以避免光氧化损伤；第三次干旱时转录组广泛下调，优先保持叶绿体结构和基础代谢，进入保守存活状态。这种策略与农田作物不同，体现了旱生盐生植物对不可预测水分环境的适应。

研究结论可概括为：该研究揭示了滨藜在反复干旱后向更保守功能状态的转变，这种变化以激素信号介导的光合作用持续降低为特征，有利于在波动环境中保护光系统完整性。转录胁迫记忆分阶段激活：第二次干旱后减少防御和能量代谢等昂贵响应，第三次干旱后优先重编程光合机器、储备代谢和转录调控通路。未来需进一步明确这种保守状态是否持久并涉及表观遗传机制，以及在其它盐生植物或C4物种中是否普遍存在。