缺鉀脅迫下谷子轉(zhuǎn)錄組分析及相關(guān)基因挖掘

摘要：鉀是作物生長(zhǎng)不可缺少的元素，挖掘提高作物鉀吸收能力的基因，增強(qiáng)作物對(duì)缺鉀的耐受性具有重要的意義。以‘冀谷45’為供試材料，幼苗長(zhǎng)至6葉期時(shí)進(jìn)行缺鉀脅迫7 d，通過(guò)農(nóng)藝指標(biāo)及轉(zhuǎn)錄組分析挖掘缺鉀脅迫的相關(guān)基因。結(jié)果表明，缺鉀脅迫影響谷子的生長(zhǎng)發(fā)育，株高、葉寬、葉長(zhǎng)、莖粗、苗期地上部干重及葉綠素含量低于CK，而根長(zhǎng)、根表面積顯著增加。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，缺鉀脅迫后217個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，38個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。GO功能富集發(fā)現(xiàn)，差異表達(dá)基因主要富集于核糖體的結(jié)構(gòu)成分、有機(jī)氮化合物代謝過(guò)程、蛋白質(zhì)代謝過(guò)程、細(xì)胞蛋白質(zhì)代謝過(guò)程、無(wú)膜細(xì)胞器等類別。KEGG功能富集結(jié)果表明，差異表達(dá)基因主要富集于核糖體、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、谷胱甘肽代謝等19個(gè)通路。進(jìn)而篩選出35個(gè)與激素表達(dá)顯著相關(guān)的基因，19個(gè)氧化應(yīng)激相關(guān)差異表達(dá)基因，10個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族及11個(gè)與轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)相關(guān)的基因，1個(gè)與氨基酸及核苷酸的糖代謝相關(guān)的基因。候選基因Seita. 9G193900 屬于CYP45084A 亞家族，調(diào)控S 型木質(zhì)素合成的關(guān)鍵酶；Seita.5G365500 屬于WRKY家族，調(diào)控抗病響應(yīng)基因PAD3 等基因的表達(dá)；Seita.3G216900 是RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄亞基37E相關(guān)介質(zhì)——HSPA1s輔助蛋白；Seita.4G286000 為幾丁內(nèi)質(zhì)內(nèi)切酶基因CHIB，調(diào)控糖的合成與酵解。以上結(jié)果初步揭示了谷子缺鉀脅迫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，為谷子耐缺鉀相關(guān)基因的克隆與功能驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：谷子；缺鉀；差異表達(dá)基因；轉(zhuǎn)錄組

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0900

中圖分類號(hào)：S515 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10080864（2024）06003015

谷子（Setaria italica）起源于中國(guó)，是農(nóng)耕文化的主栽作物[12]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食物多元化消費(fèi)中占有重要地位[3]。鉀是植物三大礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育十分重要，尤其具備可提高作物品質(zhì)和適應(yīng)外界不良環(huán)境的能力。鉀元素除對(duì)谷子籽粒的形成起到關(guān)鍵作用[4]外，還對(duì)許多生物和代謝過(guò)程起著調(diào)控作用[5]，如維持細(xì)胞滲透壓、調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)閉、促進(jìn)光合作用產(chǎn)物的運(yùn)輸和分配、提高谷子產(chǎn)量[6]、品質(zhì)[7]等?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，化肥的廣泛使用在一定程度上彌補(bǔ)了植物生長(zhǎng)過(guò)程中礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的不足，但也破壞了生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，原料礦物的緊缺也嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究植物在缺鉀脅迫下的適應(yīng)機(jī)制可以為減少化肥的使用、提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

目前，缺鉀脅迫的研究已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，缺鉀脅迫改變根系構(gòu)型，抑制植物主根和側(cè)根的生長(zhǎng)，促進(jìn)根毛的伸長(zhǎng) [89]。缺鉀處理下，‘晉谷21號(hào)’和‘龍谷25號(hào)’葉片的色素含量較正常鉀處理均顯著降低[10]。缺鉀脅迫影響植物體內(nèi)酶的活性、激素的合成與運(yùn)輸以及細(xì)胞膜的穩(wěn)定性等。通過(guò)基因克隆、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)手段，鑒定了許多與缺鉀脅迫相關(guān)的基因和蛋白。鈣依賴的蛋白激酶（Ca/calmodulindependentprotein kinases，CDPKs）和鈣調(diào)蛋白（calmodulin， CaMs）等在鈣信號(hào)通路中起關(guān)鍵作用，它們能夠感知鈣離子含量的變化并啟動(dòng)下游的響應(yīng)基因；活性氧（reactive oxygen species，ROS）信號(hào)通路通過(guò)氧化修飾蛋白來(lái)激活或抑制特定的信號(hào)；脫落酸（abscisic acid，ABA）、乙烯（ethylene，ET）和茉莉酸（jasmonic acid， JA）等植物激素的信號(hào)通路與鉀離子的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配密切相關(guān)。鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體基因（如HKT*）編碼高親和性鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體，在缺鉀條件下能夠高效吸收土壤中的鉀離子。鉀通道基因（如Shaker*）編碼的鉀離子通道在植物缺鉀響應(yīng)中起關(guān)鍵作用。WRKY、MYB 和bZIP 等轉(zhuǎn)錄因子家族在缺鉀響應(yīng)中扮演重要角色。何應(yīng)對(duì)[11]對(duì)香蕉幼苗進(jìn)行缺鉀處理，獲得了NRT1.1、HKT2、IAA16、A-2b、78A4、pectinesterase2 等相關(guān)鉀響應(yīng)基因[11]。黃文功等[12]利用低鉀處理亞麻植株，鑒定到1 154個(gè)基因差異表達(dá)，進(jìn)而篩選出7 個(gè)與鉀相關(guān)的基因[12]。Shaker 家族、TPK 和KIR 家族以及KUP/HAK/KT家族等鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要在細(xì)胞中參與鉀離子的轉(zhuǎn)運(yùn)。這些基因和蛋白通過(guò)調(diào)控鉀離子的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配來(lái)響應(yīng)缺鉀脅迫[13-15]。這些研究為深入了解植物在逆境下的生存策略及植物抗逆性的遺傳改良提供了基因資源，并奠定了理論基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是在整體水平上研究細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律，主要從RNA水平研究基因表達(dá)的情況。以DNA為模板合成RNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程是基因表達(dá)的第一步，也是基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其不僅關(guān)注基因的表達(dá)水平，還關(guān)注基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制。在轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多重要的轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)控元件，它們通過(guò)相互作用來(lái)精確調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。此外，非編碼RNA等新型調(diào)控元件的發(fā)現(xiàn)也為轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究帶來(lái)了新的視角和挑戰(zhàn)。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析在多個(gè)植物物種中鑒定出了大量在缺鉀條件下差異表達(dá)的基因，包括鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體、鉀通道、轉(zhuǎn)錄因子等相關(guān)基因，這些基因?yàn)樯钊肓私庵参锏娜扁涰憫?yīng)機(jī)制提供了豐富的資源。