联合转录组和代谢组分析揭示新疆杨 × 胡杨耐盐机制：盐碱地绿化树种的新曙光

《BMC Plant Biology》：Combined transcriptomic and metabolomic analysis revealed the salt tolerance mechanism of Populus talassica?×?Populus euphratica

为探究新疆杨 × 胡杨（Populus talassica×Populus euphratica）耐盐机制，研究人员对其进行不同 NaCl 处理，开展转录组和代谢组分析。结果发现不同盐浓度下植株生长和代谢途径有差异，明确了关键途径和调控因子。该研究为提高植物耐盐性提供理论依据。

　　在广袤的大地上，土壤盐碱化正成为一个日益严峻的问题。大约 20% 的世界耕地受到盐渍化的严重破坏，中国也有近 9913 万公顷的土地受盐碱影响，其中新疆地区尤为突出。在新疆，由于特殊的气候和灌溉方式，土壤盐碱化导致大量耕地利用受限，严重阻碍了农业发展。而植物在盐碱环境下生长困难，产量大幅降低，像主要粮食作物在土壤盐浓度超 200 mM 时甚至无法完成生殖周期。但有一种神奇的树种 —— 新疆杨 × 胡杨，它具有很强的耐盐潜力，在 pH 达 9.46、总盐含量 1.5 - 2.4% 的强盐碱地也能正常生长。然而，此前其耐盐的信号转导途径和调控机制却并不清楚。

为了揭开新疆杨 × 胡杨耐盐的神秘面纱，来自塔里木大学、内蒙古大学、内蒙古农牧业科学院等单位的研究人员展开了深入研究。他们通过对新疆杨 × 胡杨进行不同 NaCl 处理，综合运用转录组和代谢组分析技术，深入探究其耐盐机制。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为提高植物耐盐性提供了重要的理论依据，有望为盐碱地的生态治理和农业发展带来新的突破。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，选取新疆生产建设兵团第 10 团育苗基地的一年生盆栽新疆杨 × 胡杨幼苗，设置对照（0 mM NaCl）、低浓度（200 mM NaCl）和高浓度（400 mM NaCl）处理组，每个处理设置 3 个生物学重复。在处理后的第 15、30、45 天的第二天，测量植株的形态和生理指标，并采集根和茎样本。其次，对样本进行转录组分析，具体方法参考已发表在《Genes》杂志上的研究。再者，进行代谢组分析，包括样本提取、色谱和质谱数据采集、主成分分析（PCA）、差异积累代谢物（DAMs）筛选等一系列操作。

研究结果如下：

1. 形态特征和生理特性：通过对不同 NaCl 浓度处理下新疆杨 × 胡杨幼苗生物量和根冠比分析，发现 200 mM NaCl 处理促进了幼苗生物量积累，在处理后第 15、30、45 天，地上、地下和总生物量均增加，根冠比在处理 30 天和 45 天后显著高于对照组；400 mM NaCl 处理则抑制生长，生物量和根冠比明显低于对照组。观察不同处理下根表型和相对含水量（RWC），发现 200 mM NaCl 处理促进根生长，400 mM NaCl 处理使根 RWC 显著降低。由此可见，低浓度 NaCl 处理促进生长，高浓度则抑制生长和水分平衡。
2. 转录组分析：对不同 NaCl 浓度处理下的差异表达基因（DEGs）分析，发现随着 NaCl 浓度增加，根和茎中 DEGs 数量增多，RCK_vs_R400 和 SCK_vs_S400 组 DEGs 数量最多。KEGG 通路富集分析表明，根和茎在盐胁迫下的反应机制不同，植物激素信号转导等通路在根和茎中均显著富集。筛选出的关键 DEGs 涉及多个转录因子（TFs）家族，如 AP2/ERF、NAC、WRKY 等，且根和茎中 DEGs 的 TFs 组成存在差异。这说明根和茎在基因表达模式上存在显著差异，以适应盐胁迫。
3. 代谢组分析：定量分析 DAMs 发现，根和茎在不同处理组中的 DAMs 数量和变化趋势不同。PCA、类别组成分析和聚类分析显示，不同处理组间代谢物分布存在差异，主要代谢物包括黄酮类、酚酸类等。筛选出 73 种显著 DAMs，KEGG 通路富集分析表明，不同浓度 NaCl 处理下，根和茎的代谢通路存在差异，如 200 mM NaCl 处理下黄酮类生物合成通路显著富集，400 mM NaCl 处理下核苷酸代谢通路显著富集。这表明根和茎在盐胁迫下具有不同的代谢响应机制。
4. 转录组 - 代谢组关联分析：KEGG 富集条形图显示，氨基酸生物合成通路在各比较组中均显著富集 DEGs 和 DAMs。O2PLS 分析筛选出与耐盐性密切相关的 10 个 DEGs 和 10 个 DAMs，基因 - 代谢物相互作用网络分析揭示了关键 DEGs 和 DAMs 之间的相互作用。分析氨基酸生物合成通路中主要代谢物积累，发现盐胁迫下上游代谢物下调，下游代谢物上调，以适应盐胁迫。这表明多个代谢通路在新疆杨 × 胡杨耐盐过程中协同作用。

研究结论和讨论部分指出，200 mM NaCl 处理促进新疆杨 × 胡杨幼苗生长，增强耐盐性；400 mM NaCl 处理则抑制生长和水分平衡。转录组分析表明根和茎通过不同代谢机制适应盐胁迫，涉及多个核心通路和关键 TFs。代谢组分析显示根和茎具有独特的耐盐代谢物和代谢通路。转录组和代谢组整合分析确定了氨基酸生物合成和植物激素信号转导等关键通路在耐盐中的重要作用。这些发现增强了人们对新疆杨 × 胡杨耐盐机制的理解，为进一步研究该物种耐盐性提供了新视角，也为提高杨树属植物耐盐性奠定了基础，对盐碱地生态治理和农业发展具有重要意义。