植物一区HR | 植物生理组+转录组：揭示豆科植物响应干旱胁迫机制

PlantArray

植物高通量生理学表型监测系统

        是一套以植物生理学为基础的高精度，高通量，自动化表型监测系统，集合实验设置、数据分析、决策工具于一身，能够高通量实时动态监测并进行全天候生理及环境参数采集，是进行植物生理学研究的理想实验平台。

        中国计量大学徐沛教授团队在《Horticulture Research 》期刊上(IF=7.291)发文中，利用PlantArray和转录组在豇豆和毛豆中精细地揭示了这些性状对渐进性土壤胁迫的基因型差异，解释了在相似的根系干旱胁迫下表现出截然不同的叶片水分利用行为的机制。

期刊：Horticulture Research
影响因子：7.291	发表时间：2022.12
样本类型：毛豆和豇豆叶片	客户单位：中国计量大学

一、研究背景

        豆类是世界各国的主食和重要蔬菜。任何阶段的缺水都会影响豆科植物的生长，最终降低产量。毛豆和豇豆在遭受干旱胁迫时会表现出不同的耗水调节模式，经常用于比较幼苗对土壤缺水时的响应。比较跨物种的水分动态时，受到的最大挑战是如何产生均匀的干旱胁迫。利用高通量技术和灌溉反馈系统，可以实现对土壤含水量的精确控制。PlantArray是一个基于蒸腾仪的系统，可以实时监测与整个植物水分关系有关的参数，如蒸腾速率(Tr)、生长速率和水分利用效率(WUE)。利用PlantArray和转录组在豇豆和毛豆中揭示了这些性状对渐进性土壤胁迫的基因型差异。

二、实验设计

图1 实验设计

三、实验结果

1、渐进性土壤缺水条件下的全株水分关系

        在四个阶段中:充分灌溉(WW)、中度土壤干旱(MD)、重度土壤干旱(SD)和恢复阶段(RC，图1)，两种作物的Tr均表现出日变化规律，最大值出现在中午附近(图2A)，豇豆的水分利用效率（WUE）更高(图2B)。在干旱严重的第7天，观测到最大相位变化(图2C)。复水后，两组之间的相位差迅速消失。在整个实验过程中，豇豆的Tr相位差很小。

图2 毛豆和豇豆的全株水分关系

2、转录组结果

        在MD胁迫的毛豆叶片中，与光合作用、细胞壁和脂肪酸代谢相关的下调差异基因显著富集。随着土壤干旱程度的加重，两种作物在光合作用、细胞壁、碳水化合物代谢等方面出现GO功能富集。从豇豆和毛豆中分别鉴定出32个和44个生物钟基因，发生变化的20个基因可分为两类:1)仅基因表达量发生变化，2)基因表达量和日变化（TOD）趋势均发生变化(图3)。

图3 在两种作物中，20个生物钟基因的表达改变

3、在干旱、TOD及其相互作用下物种特异性基因的调控与WGCNA分析

        全面识别了受TOD、干旱及其交互作用影响的基因，毛豆和豇豆中分别有28个和39个聚类基因簇，土壤干旱和TOD在两种作物中以不同的方式相互作用，影响了芽基因的表达，从而形成了截然不同的水分利用行为。

        通过WGCNA分析，确定了17个与蒸腾速度相关的基因，发现了毛豆和豇豆中的20个基因模块。分别从VuM17和VuM9模块中鉴定出5个和8个枢纽基因(图4A、B）。CYP707A4和TPS9同源基因在不同干旱情景下的动态表达模式不同，MD下GmCYP707A4在中午转录上调，增加Tr；但是它在WW和SD条件下的表达较高，在豇豆中下调(图4C)。

图4 加权相关网络分析

4、VuTPS9调控Tr的功能验证

        豇豆和毛豆的TPS9同源基因在干旱处理下表现出不同的调控模式，比较35S::VuTPS9-eGFP(VuTPS9-OE)和35S::eGFP过表达株系叶片的Tr和气孔导度(Gs)，处理前无显著差异(图5A)。在10%PEG处理的第1天，VuTPS9-OE植株的Tr和Gs水平分别下降了92%和95%，而35S::eGFP植株的Tr和Gs水平分别下降了57%和73%。与这一表型相一致的是，在10%PEG处理后1天，前者的气孔孔径比后者更敏感(图5C, D)。

图5 VuTPS9过表达对蒸腾速率和气孔闭合的影响

四、研究结论

        转录组学分析表明，豇豆在早期土壤干旱阶段存在一种脱水避免机制，其中VuHAI3和VuTIP2;3基因可能参与其中。两种作物的基因对干旱的响应、时间及其交互作用存在差异，转基因分析验证了VuTPS9在渗透胁迫下对蒸腾速率的调节作用。

        文章结合plantarray植物生理表型组和转录组建立了一个模型来阐明豇豆和毛豆不同的水分利用策略(图6)，该模型强调了与水分利用行为相关的基因以及它们的相互作用基因的重要性。

图6 毛豆和豇豆不同的水分利用策略的机制模型

参考文献

Understanding water conservation vs. profligation traits in vegetable legumes through a physio-transcriptomic-functional approach. Horticulture Research. 2022 DOI: 10.1093/hr/uhac287.