水菠菜根系应对盐胁迫的分子机制解析：多组学联合揭示关键路径与调控因子

研究人员通过多组学分析水菠菜对盐胁迫的响应，发现关键代谢途径和调控因子，为提升其耐盐性提供依据。

　　水菠菜（Ipomoea aquatica Forsk.）是一种重要的叶菜，在东南亚、中国和印度等地广泛种植。然而，土壤盐渍化问题日益严重，全球超过 20% 的农业用地受到影响，这对水菠菜的生长和产量造成了极大的威胁。在盐渍土壤中，植物会遭受渗透胁迫、氧化胁迫和离子胁迫等多重压力，影响其正常的生长发育。尽管此前对水菠菜的耐盐性有一定研究，但主要集中在生理和转录水平，对于盐胁迫下代谢组和转录组的联合分析较少。为了深入了解水菠菜应对盐胁迫的分子机制，提升其耐盐性，广东海洋大学的研究人员开展了相关研究，研究成果发表在《BMC Genomics》上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过高通量测序技术进行转录组测序，分析基因表达变化；二是采用非靶向代谢组学技术，鉴定和分析代谢物的变化；三是借助电感耦合等离子体质谱（ICP - MS）测定矿物离子含量；四是运用加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘关键基因模块和转录因子。

研究结果如下：

1. 综合耐盐性评价：研究人员对 59 个水菠菜品种进行了综合盐胁迫评价。通过主成分分析（PCA），基于 19 个相对性状将这些品种分为耐盐、中等耐盐和盐敏感三类，从中筛选出耐盐品种 BG 和盐敏感品种 MF 进行后续研究。
2. 形态和生理指标差异：盐胁迫 7 天后，MF 出现叶片发黄、卷曲等症状，根系变弱；而 BG 叶片保持正常，根系更强壮。生理分析表明，BG 的脯氨酸含量增加迅速，过氧化氢酶（CAT）活性显著提高，丙二醛（MDA）和 H₂O₂含量降低，超氧阴离子（O₂^{· -} ）产生速率较低，显示出更强的渗透调节和活性氧（ROS）清除能力。
3. 离子水平变化：离子组分析显示，盐胁迫下，BG 能显著降低 Na⁺积累，增加 K⁺水平，维持较低的 Na⁺/K⁺比值，减少 Na⁺毒性，平衡离子稳态。
4. 转录组分析：对 18 个根样本进行转录组测序，发现 BG 中差异表达基因（DEGs）更多，对盐胁迫的基因表达响应更明显。KEGG 分析表明，共同 DEGs 显著富集在次生代谢物生物合成、代谢途径、淀粉和蔗糖代谢等通路；MF 独特 DEGs 富集在类黄酮生物合成和谷胱甘肽代谢，BG 独特 DEGs 富集在植物激素信号转导、苯丙烷生物合成等通路。
5. 离子运输相关基因：研究鉴定出 53 个与离子运输相关的 DEGs，包括 Na⁺、K⁺、Ca^{2 +}和 Mg^{2 +}转运蛋白基因，它们在 BG 和 MF 中的表达模式不同，表明 BG 在离子运输方面具有更高效的调控机制。
6. 激素信号通路：盐胁迫下，BG 中脱落酸（ABA）和水杨酸（SA）信号通路相关的 DEGs 上调幅度更大，表明激素信号在 BG 的盐胁迫响应中发挥重要作用。
7. 加权基因共表达网络：WGCNA 分析生成 16 个模块，其中黑色模块与 CAT、MDA 和 Ca^{2 +}显著相关，青色模块与脯氨酸和 O₂^{· -} 显著相关。关键转录因子如 HSFA4A、bHLH093 和 IDD7 等在 BG 中上调，可能在耐盐调控网络中起核心作用。
8. 代谢组学分析：在根样本中鉴定出 4243 种代谢物，PCA 和层次聚类分析（HCA）显示不同品种和处理的样本明显分开。MF 和 BG 分别鉴定出多个差异丰富代谢物（DAMs），主要涉及氨基酸、有机酸和黄酮类等。
9. 转录组和代谢组联合分析：联合分析发现，BG 和 MF 在盐胁迫下的 KEGG 通路富集存在差异，糖代谢是两者响应盐胁迫的关键差异因素。在淀粉和蔗糖代谢以及半乳糖代谢途径中，BG 的蔗糖和水苏糖积累增加，有助于维持细胞渗透平衡，增强耐盐性。

研究结论与讨论：该研究通过多组学联合分析，全面揭示了水菠菜根系应对盐胁迫的分子机制。耐盐品种 BG 在盐胁迫下，通过调节离子运输、激素信号、碳水化合物代谢以及关键转录因子的表达，维持离子稳态、增强渗透调节能力、促进根系生长发育，从而更好地适应盐胁迫环境。这些发现为深入理解水菠菜耐盐的分子调控机制提供了重要依据，有助于推动水菠菜耐盐品种的遗传改良，为农业生产中应对土壤盐渍化问题提供理论支持和技术指导，对保障蔬菜产量和质量具有重要意义。