外源茉莉酸對(duì)燕麥在不同干旱脅迫下轉(zhuǎn)錄組的影響

張志芬 付曉峰 崔思宇 福 英 劉俊青 楊海順

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 特色作物研究所,呼和浩特 010031; 2.興安盟農(nóng)牧科學(xué)研究所 作物育種與栽培研究室,內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

干旱問題是影響作物生長并導(dǎo)致減產(chǎn)最為普遍的非生物脅迫因子之一[1],燕麥主要種植在干旱和半干旱地區(qū),干旱是限制燕麥產(chǎn)量的主要因素。干旱導(dǎo)致燕麥結(jié)實(shí)率下降[2],株高變矮,葉片數(shù)、主莖數(shù)、穗數(shù)減少,葉片失綠發(fā)黃導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量顯著下降[3]。干旱脅迫下(土壤相對(duì)含水量為45%),燕麥內(nèi)源激素脫落酸(ABA)、茉莉酸(JA)和水楊酸(SA)含量均顯著升高,生長素(IAA)含量顯著降低,脯氨酸(Pro)、可溶性糖、腐胺(Put)和亞精胺(Spm)含量也均顯著升高[4],外源腐殖酸可以通過調(diào)控內(nèi)源激素的含量來影響燕麥的衰老過程[5]。由此可見,基于激素調(diào)控的燕麥抗旱性研究具有重要意義。

植物遭受干旱脅迫,激素作為信號(hào)分子大量累積,并誘導(dǎo)機(jī)體發(fā)生復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)來激活自身免疫系統(tǒng),以應(yīng)對(duì)環(huán)境的脅迫;茉莉酸(jasmonic acid,JA)是一種已被公認(rèn)的新型植物生長調(diào)節(jié)劑[6]。在干旱脅迫下,番茄幼苗根和葉中內(nèi)源性ABA、JA和游離多胺的濃度以及多胺氧化酶(PAO)活性均顯著高于對(duì)照組[6]。干旱脅迫后小麥各器官內(nèi)源JA和ABA含量顯著增加,而赤霉素(GA)和細(xì)胞分裂素(CTK)含量顯著降低[7]。施用外源JA可以提高作物的產(chǎn)量,如外源MeJA可以顯著改善干旱脅迫下小麥籽粒灌漿參數(shù),如有效灌漿持續(xù)時(shí)間和理論最大粒重都顯著升高,促使更多同化產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn),可以部分彌補(bǔ)干旱脅迫造成的減產(chǎn)[7-8]。外源JA對(duì)非生物脅迫下作物光合特性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生理特征有顯著影響[9-14]。中度和重度干旱條件下,外源MeJA可影響甜菜相對(duì)含水量和水分利用效率,以及脯氨酸積累[15];可增強(qiáng)玉米根系水通道蛋白的表達(dá),進(jìn)而提高幼苗根系吸水能力,從而緩解干旱脅迫造成的葉片水分含量下降和水勢降低,提高玉米幼苗的抗旱性[14]。

轉(zhuǎn)錄組測序已被廣泛用于解析作物抗旱機(jī)制[16],可以通過生理指標(biāo)與轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析推測抗逆機(jī)制,初步篩選出抗逆相關(guān)代謝通路的關(guān)鍵基因,為抗逆基因的克隆和驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。王志恒等[17]基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)探究甜高粱響應(yīng)干旱與鹽脅迫的生理學(xué)差異及其分子機(jī)制,為甜高粱抗逆栽培和育種提供依據(jù)。目前,基于轉(zhuǎn)錄組揭示燕麥抗旱機(jī)理的研究鮮見報(bào)道。本研究以燕麥為材料,通過轉(zhuǎn)錄組測序利用GO和KEGG分析不同模擬干旱脅迫下,外源JA主要影響的代謝通路,旨在探究外源JA對(duì)不同干旱脅迫處理的燕麥生長發(fā)育過程中代謝途徑的影響,以期為篩選燕麥響應(yīng)干旱的關(guān)鍵基因提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

選用抗旱品種‘蒙燕1號(hào)’為材料,采用盆栽進(jìn)行培養(yǎng),基質(zhì)為陶粒,室溫培養(yǎng),出苗7 d后,進(jìn)行輕度(QD,PEG-6000,0.017 mol/L)、重度(ZD,PEG-6000,0.034 mol/L)干旱脅迫處理,以蒸餾水為對(duì)照(CK);同時(shí)進(jìn)行干旱脅迫添加1.0 mmol/L JA處理,輕度干旱脅迫加JA(QDA)和重度干旱脅迫加JA(ZDA),對(duì)照加JA(CKA),每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)種植6盆,處理7 d,對(duì)QD、ZD、CK以及QDA、ZDA、CKA處理燕麥葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序。

1.2 RNA測序及分析

Trizol法提取總 RNA,質(zhì)檢合格后建庫測序,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控后得到clean reads用于后續(xù)分析。根據(jù)HISAT2的比對(duì)結(jié)果,我們利用Stringtie[18]重構(gòu)轉(zhuǎn)錄本,并利用RSEM[19]計(jì)算每個(gè)樣本中所有基因的表達(dá)量,篩選FDR<0.05、|log2FC|>1的基因?yàn)轱@著差異基因。參考基因組為2020年6月23日公開發(fā)布的六倍體皮燕麥基因組,網(wǎng)址為https:∥wheat.pw.usda.gov/jb/?data=/ggds/oat-ot3098-pepsico[20]。

1.3 實(shí)時(shí)熒光定量 PCR(RT-qPCR)分析

為驗(yàn)證RNA-seq檢測到DEGs,對(duì)8個(gè)重點(diǎn)基因進(jìn)行RT-qPCR分析。燕麥Pepsico2_Contig1856.path1(過氧化物酶體(S)-2-羥基酸氧化酶GLO1)為內(nèi)參基因,該基因不同處理表達(dá)量均較高,而且相對(duì)穩(wěn)定,引物序列見表1,用2-ΔΔCT方法計(jì)算試驗(yàn)樣本中各基因相較于對(duì)照樣本中各基因的相對(duì)表達(dá)量變化,使用GraphPad Prism 7.0計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差(SD)及P。

表1 RT-qPCR 所用引物

表2 CK與QD、CKA與QDA的DEGs在KEGG顯著富集的代謝途徑

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)錄組分析

由圖1可知,基于差異分析結(jié)果,篩選FDR<0.05、|log2FC|>1的基因?yàn)轱@著差異基因(DEGs),CK與QD相比較共獲得624個(gè)DEGs,CK與ZD共獲得13 053個(gè)DEGs,QD與ZD共獲得10 850個(gè)DEGs。CK與CKA相比較共獲得6 621個(gè)DEGs,其中1 955個(gè)上調(diào),4 666個(gè)下調(diào);QD與QDA,共獲得2 507個(gè)DEGs,其中1 574個(gè)基因上調(diào),933個(gè)基因下調(diào);ZD與ZDA共獲得679個(gè)DEGs,其中223個(gè)上調(diào),456個(gè)下調(diào),CK與CKA處理的基因表達(dá)量顯著高于其他2組,-log10(FDR)為0～100,QD與QDA-log10(FDR)為0～30,ZD與ZDA-log10(FDR)為0～20。

(a)未脅迫與未脅迫加JA;(b)輕度干旱脅迫與輕度干旱脅迫加JA;(c)重度脅迫與重度干旱脅迫加JA (a) Unstressed and unstressed plus JA; (b) Mild drought stress and mild drought stress plus JA; (c) Severe stress and severe drought stress plus JA

DEGs分別注釋到生物過程(biological process,BF)、細(xì)胞組分(cellular component, CC)和分子功能(molecular function,MF)3 個(gè)子類,其中BF基因表達(dá)發(fā)生顯著變化的數(shù)量高于其他2個(gè)子類。QD與QDA(圖2)上調(diào)基因的數(shù)量高于下調(diào)的,而CK與CKA(圖3)和ZD 與 ZDA(圖4)下調(diào)基因的數(shù)量高于上調(diào)的。

圖2 輕度干旱脅迫和輕度干旱脅迫加JA處理燕麥基因表達(dá)GO富集分類

圖3 未脅迫(CK)和未脅迫加JA處理燕麥基因表達(dá)GO富集分類

圖4 重度干旱脅迫和重度干旱脅迫加JA處理燕麥基因表達(dá)GO富集分類

對(duì)所有DEGs進(jìn)行KEGG功能注釋,DEGs富集的代謝途徑主要為全局和概述圖譜,糖代謝、脂類代謝、氨基酸代謝、其他次級(jí)代謝物的生物合成、能量代謝、其他氨基酸代謝。

2.2 JA對(duì)未脅迫處理轉(zhuǎn)錄組的影響

CK與CKA的GO功能富集分析,CC組分DEGs顯著富集在15個(gè)詞條(P<0.05和Q<0.05,下同),富集較多基因的詞條為細(xì)胞(GO: 0005623)、細(xì)胞部分(GO: 0044464)、細(xì)胞器膜(GO: 0016020),1 315個(gè)DEGs,占CC總DEGs(3020個(gè))43.53%,見圖3。MF組分DEGs顯著富集在49詞條,富集較多基因的詞條是催化活性(GO:0003824),2 426 個(gè)DEGs,占MF總的DEGs(3 310個(gè))的73.29%,其次是結(jié)合(GO:0005488),富集1 938個(gè)DEGs,轉(zhuǎn)移酶活性(GO:0016740),富集936個(gè)DEGs,占MF總的DEGs 28.28%(圖3)。BP組分DEGs顯著富集在205個(gè)詞條,富集較多基因的詞條是代謝過程(GO:0008152)、細(xì)胞過程(GO:0009987)、單生物過程(GO: 0044699)和對(duì)刺激的反應(yīng)(GO:0050896),對(duì)刺激的反應(yīng)富集1 648個(gè)DEGs,占BP總DEGs(3 513個(gè))的46.91%(圖3)。

由圖5可知,CK與CKA的KEGG功能富集分析,DEGs主要富集在代謝途徑、次生代謝的生物合成和苯丙素的生物合成,分別占總的DEGs的59.69%、39.88%和10.50%。苯丙素的生物合成代謝中有122個(gè)DEGs,其中18個(gè)上調(diào),104個(gè)下調(diào),下調(diào)基因占85.24%,主要為木質(zhì)素的生物合成基因。苯丙氨酸解氨酶基因Pepsico1_Contig31055.path1(ZB8)表達(dá)上調(diào),log2FC為11.9。過氧化物酶基因MSTRG.25991(PER72)、MSTRG.24809(GSVIVT00023967001)和MSTRG.1931(PRX74)表達(dá)下調(diào),log2FC分別為11.0、10.6和10.5,上述4個(gè)基因表達(dá)量較高。α-亞麻酸代謝通路中17個(gè)基因顯著上調(diào),其中ACX基因Pepsico1_Contig13785.path1(ACX1) log2FC為12.8。光合天線蛋白通路中富集25個(gè)LHCB1,其中24個(gè)下調(diào)。植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路IAA和CTK通路顯著富集,其中IAA通路中富集25個(gè)DEGs,22個(gè)下調(diào),主要為AUX和AUXIAA;CTK通路富集13個(gè)DEGs,其中12個(gè)下調(diào),且表達(dá)量較高。

圖5 CK與CKA的KEGG 富集分析

2.4 JA及輕度干旱脅迫對(duì)轉(zhuǎn)錄組的影響

CK與QD的KEGG富集分析,DEGs主要富集在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、植物-病原相互作用和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工3條代謝途徑顯著富集。CKA 與 QDA,除了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工、植物-病原相互作用顯著富集外,還顯著富集在植物晝夜節(jié)律、類黃酮生物合成、亞油酸代謝、玉米素生物合成、次生代謝物的生物合成、苯丙素的生物合成、類胡蘿卜素生物合成代謝通路。其中玉米素生物合成代謝通路中2個(gè)UGT73E1下調(diào),log2FC均為-9.2,4個(gè)UGT73C5 上調(diào),4個(gè)CKX11均下調(diào),見圖4。

由圖6可知,QD與QDA的GO功能富集分析,CC組分里DEGs主要富集在12個(gè)詞條,膜富集507個(gè)DEGs,占CC總的DEGs(1 079個(gè))46.99%。MF組分DEGs顯著富集在11 個(gè)詞條,催化活性富集175個(gè)DEGs,占MF總的DEGs(1 148個(gè))的15.24%。BP組分DEGs顯著富集在74 個(gè)詞條,對(duì)刺激的反應(yīng)富集643個(gè)DEGs,占BP總的DEGs(1 266個(gè))的50.79%。

圖6 QD與QDA的KEGG富集分析

QD 與 QDA的KEGG功能顯著富集分析結(jié)果,DEGs主要富集在次生代謝的生物合成、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、精氨酸和脯氨酸代謝,分別占總DEGs的34.5%、9.3%和6.76%,另外光合天線蛋白和其他氨基酸代謝、植物晝夜節(jié)律通路DEGs顯著富集,見圖6。

QD 與 QDA植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集DEGs 40個(gè),其中生長素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集1個(gè)ARF,log2FC為-1.2,1個(gè)GH3.8(Pepsico1_Contig15958.path1),log2FC為9.6。細(xì)胞分裂素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集5個(gè)CRE1和1個(gè)A-ARR,log2FC為-1.3～-2.3。赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集的3個(gè)TF,log2FC為-1.4～-1.6。脫落酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集的DEGs 19個(gè),占植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路總DEGs的47.5%,基因表達(dá)均表現(xiàn)為上調(diào),13個(gè)PP2C,log2FC為1.2～2.3,2個(gè)SnRK2,log2FC為1.1～1.2,4個(gè)ABF,log2FC為1.1～2.0。乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集1個(gè)ETR,表達(dá)下調(diào),log2FC為1.0,1個(gè)EIN3基因表達(dá)上調(diào),log2FC為11.7。油菜素甾醇信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集2個(gè)TCH4,1個(gè)上調(diào),log2FC為2.8,1個(gè)下調(diào),log2FC為-5.2。JA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集3個(gè)JAR1,Pepsico1_Contig14072.path1(GH3.5),log2FC 為-10.2,Pepsico1_Contig18804.path1(GH3.12)和Pepsico1_ Contig30333.path1(GH3.3)log2FC均為9.6。水楊酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路富集2個(gè)NPR1和1個(gè)PR-1,Pepsico1 _Contig17697.path1(NPR2)和Pepsico1_Contig29039.path1(NPR2) log2FC均為8.6,MSTRG.71428(PR M S) log2FC為1.0。

QD 與 QDA精氨酸和脯氨酸代謝富集DEGs 29個(gè),27個(gè)上調(diào),2個(gè)下調(diào),為酰胺酶基因。13個(gè)吡咯啉5羧酸合成酶(P5CS)基因表達(dá)均上調(diào),log2FC為1.7～6.0,其中Pepsico1_Contig19083. path2 (P5CS2)和Pepsico1_Contig 24641.path1(P5CS2)log2FC為6.0。多胺氧化酶基因Pepsico1_Contig 5595.path2 (MPAO1)表達(dá)上調(diào),log2FC為12.9。脯氨酰4-羥化酶基因Pepsico1_Contig3102.path3(P4H6)和天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶基因Pepsico1_Contig10623.path3(ASP1)表達(dá)均上調(diào),log2FC分別為9.3和9.8;6個(gè)醛脫氫酶基因表達(dá)均上調(diào),其中Pepsico1_Contig2025 9.path1(ALDH3I1) log2FC為9.2。

2.5 JA和重度干旱脅迫對(duì)轉(zhuǎn)錄組的影響

由圖7可知,CK與ZD的基因KEGG功能富集分析結(jié)果顯示,DEGs主要富集在23個(gè)代謝通路,分別為次生代謝物的生物合成、苯丙素生物合成、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、淀粉和蔗糖代謝、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工、植物-病原相互作用、谷胱甘肽代謝、α-亞麻酸代謝、亞油酸代謝、單萜生物合成、脂肪酸伸長、角質(zhì)、蘇氨酸和蠟質(zhì)的生物合成、脂肪酸降解、氰基氨基酸代謝、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、真核生物中的核糖體生物發(fā)生、2-氧羧酸代謝、植物晝夜節(jié)律、類黃酮生物合成、葡萄糖苷酸生物合成,精氨酸和脯氨酸代謝、甘油磷脂代謝。其中α-亞麻酸代謝11個(gè)基因上調(diào),12個(gè)基因下調(diào),LOX2S和MFP2、茉莉酸O-甲基轉(zhuǎn)移酶基因均下調(diào)。

由圖8可知,CKA與ZDA的KEGG功能富集分析中DEGs主要富集在11個(gè)代謝通路,亞油酸代謝、次生代謝物的生物合成、玉米素的生物合成、苯丙素生物合成、氰基氨基酸代謝、萜類主鏈生物合成、硫胺素代謝、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)加工、托烷、哌啶和吡啶生物堿生物合成、淀粉和蔗糖代謝、半萜類和三萜類生物合成。其中玉米素的生物合成途徑中N-糖基轉(zhuǎn)移酶基因(Pepsico1_Contig19945.path1(UGT73C5))上調(diào),4個(gè)細(xì)胞分裂素氧化酶基因Pepsico1_Contig 10297. path1(CKX11)下調(diào)。

ko00908,玉米素的生物合成;ko00900,萜類主鏈生物合成;ko00730,硫胺素代謝;ko00960,托烷、哌啶和吡啶生物堿生物合成;ko00909,半萜類和三萜類生物合成。 ko00908, zeatin biosynthesis; ko00900, terpene main chain biosynthesis; ko00730, thiamine metabolism; ko00960, biosynthesis of tropane, piperidine and pyridine alkaloids; ko00909, semiterpene and triterpenoid biosynthesis.

由圖9可知,ZD與ZDA,GO功能富集分析,CC組分里膜顯著富集149個(gè)DEGs,占CC總DEGs(299個(gè))49.83%。MF組分DEGs顯著富集在5 個(gè)詞條,在MF組分轉(zhuǎn)移酶活性富集20個(gè)DEGs,占MF總DEGs(328個(gè))的6.1%。BP組分DEGs顯著富集在58個(gè)詞條,單生物細(xì)胞突起(GO:0044763)、對(duì)刺激的反應(yīng),分別有224和192個(gè)DEGs,分別占BP總DEGs(362個(gè))的61.88%和53.04%。

圖9 ZD 與 ZDA 的KEGG富集分析

ZD與ZDA的KEGG富集前20通路中只有鞘脂代謝通路基因表達(dá)發(fā)生顯著變化,富集基因9個(gè),占總DEGs的7.44%,均下調(diào)。富集絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶基因6個(gè),log2FC為-2.3～-4.6,其中MSTRG.76144(Os01 g0928800)log2F為-4.6;富集鞘氨醇?jí)A基N-棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶基因2個(gè)Pepsico1_Contig12909.path1(Os02 g0581300)和Pepsico1_Contig24178.path2 (Os02 g05813 00),log2FC均為-9.9;富集β-半乳糖苷酶基因1個(gè),Pepsico1_Contig31689.path1(lacZ),log2FC為-7.6。

2.6 不同干旱脅迫處理下JA均能誘導(dǎo)的基因

由圖10可知,3組不同處理共有10個(gè)基因表達(dá)均發(fā)生了顯著變化,其中包括3個(gè)THI1.3和3個(gè)AT1G71250基因, CK和QD條件下,JA誘導(dǎo)上述6個(gè)基因表達(dá)上調(diào),ZD條件下,JA誘導(dǎo)上述6個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。

圖10 韋恩圖(a)和重疊基因及表達(dá)量(b)

2.7 DEGs的RT-qPCR驗(yàn)證

Pepsico1_Contig2520.path2(ARF,ADP核糖基化因子)、Pepsico2_Contig10105.path1(GH3.5,茉莉酸-酰胺合成酶JAR1亞型X2)、Pepsico2_Contig12697.path1(MPK6, 絲裂原活化蛋白激酶)、Pepsico1_Contig30614.path1(ACX1,過氧化物酶體?；o酶A氧化酶1異構(gòu)體X1)、Pepsico1_Contig24949.path1(GID1,赤霉素不敏感基因dwarf 1)和Pepsico2_Contig 11866. path1(MFP2,乙二醛脂肪酸β-氧化多功能蛋白MFP-a異構(gòu)體X1)在重度干旱脅迫下均顯著上調(diào),Pepsico2_Contig15385.path1(BZR2,油菜素內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的核心轉(zhuǎn)錄因子)不同處理之間差異不顯著,Pepsico1_Contig26945.path2(EBF2,EIN3結(jié)合F-box蛋白)輕度干旱脅迫處理顯著下調(diào)(圖11)。8個(gè)基因中的7個(gè)和轉(zhuǎn)錄組測序的結(jié)果一致。

3 討 論

植物受到傷害時(shí),植物體內(nèi)茉莉酸及其衍生物的含量顯著增加,進(jìn)而誘導(dǎo)一系列與抗逆相關(guān)的基因表達(dá)[21]。張志芬等[4]研究表明干旱脅迫下,燕麥葉片JA含量顯著升高。玉米內(nèi)源JA的缺少能夠減少水分損失,提高在干旱條件下的生存能力[22]。已有研究表明外源JA可以提高水稻[21]、小麥[7]的抗旱性。

外源JA誘導(dǎo)干旱脅迫下小麥內(nèi)源JA含量顯著升高,激活抗氧化酶系統(tǒng)酶活[7]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在未脅迫條件下,外源JA誘導(dǎo)燕麥葉片葉綠體中的光合天線蛋白基因、IAA和CTK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路基因表達(dá)下調(diào),α-亞麻酸基因表達(dá)顯著上調(diào),因此推測,正常條件下外源JA通過調(diào)控燕麥光合作用、以及IAA和CTK的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來抑制燕麥植株的株高,同時(shí)誘導(dǎo)內(nèi)源JA的合成,干旱脅迫引發(fā)JA信號(hào)傳導(dǎo),介導(dǎo)植物脅迫反應(yīng);此外,Jang等[23]的研究表明,JA參與了干旱脅迫下根系發(fā)育的調(diào)節(jié),如JA促進(jìn)了擬南芥根中木質(zhì)部細(xì)胞分化,因此推測正常條件施用JA可能提高燕麥的抗旱性。植物苯丙素代謝作為植物重要的次級(jí)代謝途徑之一,其代謝產(chǎn)物例如木質(zhì)素、香豆素、肉冠醛等,在調(diào)控植物適應(yīng)性生長的過程中發(fā)揮著重要功能[24],其中苯丙氨酸解氨酶(PAL)和苯丙氨酸/酪氨酸氨裂解酶(PTAL)是木質(zhì)素合成代謝過程中的關(guān)鍵酶,PAL催化植物體內(nèi)多種具有防御功能的化合物合成,對(duì)于植物的生長發(fā)育具有重要的意義[25],如參與植物的生長、發(fā)育、抗逆等重要生理活動(dòng),可以被環(huán)境脅迫和植物信號(hào)分子激活表達(dá)[25]。MeJA處理能提高白及(Bletillastriata)的PAL酶活[25]。已知PAL在轉(zhuǎn)錄水平上受到調(diào)節(jié),以響應(yīng)逆境脅迫,例如特定組織對(duì)木質(zhì)素的需求[26]。植物細(xì)胞中木質(zhì)化程度與木質(zhì)素的含量有關(guān),細(xì)胞壁的厚度增強(qiáng)可以形成具有疏水環(huán)境的機(jī)械屏障,抵抗病原菌的入侵,而植物通過調(diào)控苯丙烷類代謝途徑的關(guān)鍵酶PAL產(chǎn)生木質(zhì)素[27]。本研究表明,未脅迫條件下,外源JA誘導(dǎo)燕麥苯丙素生物合成代謝過程中的基因表達(dá)發(fā)生顯著變化,主要表現(xiàn)為下調(diào),因此,未脅迫條件下外源JA通過抑制木質(zhì)素的合成抑制燕麥植株株高。

張志芬等[4]研究表明,與田間最大持水量的75%相比(CK),土壤田間最大持水量的45%的燕麥葉片ABA、JA、SA、脯氨酸(Pro)、可溶性糖、腐胺(Put)、精氨酸(Spm)含量均顯著升高,IAA含量則顯著降低[4]。本研究結(jié)果表明,燕麥在輕度干旱脅迫下,外源JA主要誘導(dǎo)次生代謝物的生物合成、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及精氨酸和脯氨酸代謝通路基因的表達(dá)發(fā)生顯著變化,由此說明,輕度干旱脅迫下,外源JA作為正調(diào)控因子,通過調(diào)節(jié)燕麥內(nèi)源激素和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來緩解干旱脅迫。擬南芥PP2Ca受到模擬干旱處理后其表達(dá)量顯著降低[28]。本研究結(jié)果表明,植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中47.5%的DEGs富集在ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,鑒定出13個(gè)PP2C,均表現(xiàn)為上調(diào)。已對(duì)陸地棉的研究表明,干旱脅迫條件下GH3基因表達(dá)上調(diào);通過病毒誘導(dǎo)的基因沉默(VIGS)對(duì)Gh_A08G1120 (GH3.5)的功能鑒定表明,GH3基因在植物適應(yīng)干旱脅迫過程中發(fā)揮著重要的作用[29]。本研究結(jié)果顯示GH3基因參與IAA和JA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),燕麥在干旱脅迫下外源JA誘導(dǎo)植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中GH3表達(dá)量最高。精氨酸和脯氨酸是響應(yīng)干旱脅迫的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),本研究結(jié)果表明,外源JA誘導(dǎo)精氨酸和脯氨酸代謝通路基因的表達(dá)顯著上調(diào),其中包括13個(gè)吡咯啉5羧酸合成酶(P5CS);多胺氧化酶基因Pepsico1_Contig5595.path2(MPAO1)的表達(dá)量最高。因此,輕度干旱脅迫下,外源JA通過調(diào)控燕麥內(nèi)源激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(精胺和脯氨酸)的積累來增加燕麥的抗旱性。

本研究結(jié)果表明,重度干旱脅迫誘導(dǎo)幾乎所有代謝基因表達(dá)均發(fā)生顯著變化,燕麥生長受到脅迫的影響嚴(yán)重;重度干旱脅迫下施用JA,表達(dá)發(fā)生顯著變化的基因較少,外源JA無法緩解重度干旱脅迫導(dǎo)致的傷害。鞘脂分子通過增強(qiáng)植物質(zhì)膜和液泡膜的穩(wěn)定性來促進(jìn)植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)[30]。本研究表明,重度干旱脅迫后施用外源JA處理可誘導(dǎo)燕麥鞘脂代謝通路基因表達(dá)顯著低于對(duì)照和輕度干旱脅迫。植物中鞘脂的功能目前還不很清楚,但是它們?cè)谀し€(wěn)定性、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、抗逆反應(yīng)和程序性細(xì)胞死亡進(jìn)程中都發(fā)揮著重要作用[31-32]。關(guān)于燕麥鞘脂代謝以及外源JA對(duì)鞘脂代謝的影響有待進(jìn)一步研究。

在植物糖基轉(zhuǎn)移酶大家族中,多基因家族尿苷二磷酸糖基轉(zhuǎn)移酶(uridine dipfosphate glycosyltrans ferase, UGT)成員最多,廣泛參與植物生長發(fā)育調(diào)控、逆境響應(yīng)等生理過程;UGT73C5為CTK的N-糖基化基因,該糖基化過程不可逆,可維持CTK在植物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)水平[33]。細(xì)胞分裂素氧化酶/脫氫酶(CKX)參與植物的多種生理過程,包括細(xì)胞分裂素(CTKs)分解代謝、根系結(jié)構(gòu)和對(duì)非生物脅迫的響應(yīng),植物中CKX4基因的下調(diào)能夠促進(jìn)CTK的累積,從而抑制側(cè)根和冠狀根的生長,進(jìn)而影響整株作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量[34-35]。本研究結(jié)果表明,與未添加JA處理相比,干旱施加JA處理,玉米素的生物合成代謝通路基因發(fā)生顯著變化,均表現(xiàn)為UGT73C5上調(diào)和CKX11下調(diào)。因此可認(rèn)為,外源添加JA可調(diào)控燕麥植株的CTK含量。本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn),在任何水分條件下,外源JA均能誘導(dǎo)AT1G71250和THI1.3基因的表達(dá),AT1G為未知功能基因,已有研究表明擬南芥AT1G14260基因在鹽脅迫應(yīng)答過程中起重要作用,該基因可能與側(cè)根的生長有關(guān)[36]。THI1通過參與保衛(wèi)細(xì)胞ABA的信號(hào)傳導(dǎo),其過表達(dá)激活保衛(wèi)細(xì)胞慢型陰離子通道和氣孔關(guān)閉,有效地降低了水分的損失率,從而增強(qiáng)了擬南芥植株的耐旱水平[37],因此本研究認(rèn)為,在不同水分條件下,外源JA均能通過AT1G1和THI1調(diào)控燕麥的抗旱性。

4 結(jié) 論

添加外源JA可誘導(dǎo)燕麥細(xì)胞膜、催化酶、轉(zhuǎn)移酶和應(yīng)對(duì)刺激反應(yīng)代謝通路基因表達(dá)發(fā)生顯著變化。在未進(jìn)行干旱脅迫條件下(CK),外源JA可誘導(dǎo)基因表達(dá)下調(diào);輕度干旱脅迫下,外源JA誘導(dǎo)脫落酸和水楊酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和精氨酸、脯氨酸代謝通路基因表達(dá)的上調(diào);重度干旱脅迫下,施用外源JA,DEGs沒有顯著富集。在不同干旱脅迫下,JA均能誘導(dǎo)玉米素的生物合成代謝通路CTK的N-糖基化基因(UGT73C5)上調(diào)和細(xì)胞分裂素氧化酶/脫氫酶基因(CKX11)下調(diào)。在正常水分條件和輕度干旱脅迫處理后添加JA均可誘導(dǎo)ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因(THI 1.3)和未知功能基因(AT1G71250)的表達(dá)上調(diào),而在重度干旱脅迫后添加JA,THI 1.3和AT1G71250的表達(dá)均下調(diào)。綜上,在輕度干旱脅迫下,JA誘導(dǎo)激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和氨基酸代謝通路基因表達(dá)發(fā)生顯著變化;輕度和重度干旱脅迫處理下,JA均能誘導(dǎo)CTK和ABA相關(guān)基因表達(dá)發(fā)生顯著變化。