生理学、转录组学和基因组学分析揭示了鞑靼荞麦根对高铵胁迫的响应机制

《Frontiers in Plant Science》：Physiological, transcriptomic, and genomic analysis unravels the response of Tatary buckwheat root to high ammonium stress

高铵离子严重抑制荞麦根系和株体生长，通过影响抗氧化酶活性（如SOD、CAT、POD、APX）和增加MDA含量加剧氧化损伤。转录组分析鉴定426个共同响应基因，涉及抗氧化酶系统（153个）、激素信号（12个）和氮代谢（10个），其中FtNRT1.14、FtMYB61/52、FtbZIP6/34、FtNAC72/73和FtLTP14等基因被确定为关键调控因子。此外，发现19个小分泌肽基因（SSPs），如FtCLE7和FtCEP3，可能通过信号转导优化根系感知。整合基因组数据发现443个品种特异性响应基因，涉及RLKs（如BAM1/3）和TFs（如MYB、MADS、LBD），为培育耐高铵作物提供了候选基因。

　　高浓度铵离子对植物生长和作物产量的毒害作用一直是农业研究中的重要议题。随着全球范围内氮肥的广泛使用，尤其是铵基肥料和尿素的过量施用，植物面临日益严重的铵毒性压力。这种毒性不仅影响植物的生长发育，还会导致一系列生理和生化反应，如叶黄化、根系酸化、根茎生长受阻、光合作用下降、产量减少以及氧化应激和激素失衡等。因此，如何提高植物对高铵环境的耐受性并增强氮素利用效率，成为保障作物高产和可持续农业发展的关键问题。

本研究以 Tartary buckwheat（鞑靼荞麦）为对象，结合生理、转录组和基因组分析，探讨植物对高铵环境的响应机制。Tartary buckwheat 是一种重要的药用和食用作物，广泛分布于全球，其生长受氮素供应的影响显著。然而，关于其对高铵的响应机制尚不清楚。本研究选择了四种不同基因型的 Tartary buckwheat（XQ2、FH、YQ1 和 YQ2），分析它们在不同浓度铵处理下的生理反应和基因表达变化。研究结果表明，高浓度铵（50 和 100 mmol/L）对 Tartary buckwheat 苗的根和茎生长产生了显著抑制作用。此外，高铵处理还影响了抗氧化酶的活性，从而导致植物生长受到限制。这些发现为深入理解 Tartary buckwheat 对高铵的响应机制提供了重要依据。

在分子层面，研究通过转录组分析识别了 426 个在四种基因型 Tartary buckwheat 中普遍响应高铵的差异表达基因（DEGs）。这些 DEGs 主要涉及抗氧化酶系统、激素信号传导以及氮素运输和同化过程。其中，多数基因的表达受到高铵的抑制，表明这些基因可能在维持植物正常生长中起重要作用。进一步的共表达分析揭示了一些可能在调控高铵响应中起关键作用的基因，如 FtNRT1.14、FtMYB61/52、FtbZIP6/34、FtNAC72/73 和 FtLTP14。这些基因的表达变化可能与植物优化根系对高铵的感知和响应有关。此外，研究还发现了 19 个与高铵响应相关的微小分泌肽（SSPs）编码基因，包括 FtCLE7 和 FtCEP3。这些 SSPs 在高铵处理下表现出不同的表达模式，其中 FtCLE7 的表达被上调，而 FtCEP3 的表达被下调，这可能有助于植物在高铵环境中更好地调节根系的感知和反应。

除了这些共同响应的 DEGs，研究还通过整合转录组和全基因组重测序数据，鉴定了 443 个基因型特异性高铵响应 DEGs，这些基因具有序列变异。这些 DEGs 涉及多种功能类别，包括转录因子（如 MYB、MADS 和 LBD 基因）以及受体样激酶（RLKs）如 FtBAM1/3。这些基因的表达变化可能反映了不同基因型在应对高铵环境时所采取的适应性策略。通过这些分析，研究不仅揭示了 Tartary buckwheat 对高铵的响应机制，还为未来通过基因工程技术改良作物耐铵性提供了候选基因。

此外，研究还发现，高铵处理对 Tartary buckwheat 的抗氧化酶系统产生了显著影响。在高铵条件下，植物根系中的过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性受到抑制，而丙二醛（MDA）含量显著增加，表明植物在高铵条件下经历了严重的氧化应激和细胞损伤。这些变化与植物根系生长受到抑制的现象相吻合，进一步支持了高铵对植物生长的毒害作用。

本研究还探讨了激素信号传导在植物应对高铵环境中的作用。例如，乙烯（ETH）信号通路中的多个基因在高铵处理下表现出下调趋势，而某些基因如 FtACO6 和 FtACS7 则表现出上调趋势。这种激素信号的变化可能影响植物根系的生长调控，从而帮助植物适应高铵环境。同时，研究还发现一些转录因子（如 MYB、WRKY 和 NAC 家族）在高铵处理下具有不同的表达模式，这些转录因子可能在调控植物对高铵的耐受性中发挥重要作用。

在植物的适应机制方面，研究发现某些基因如 FtCLE7 和 FtCEP3 可能是调控高铵响应的核心基因。FtCLE7 的表达在高铵条件下被上调，而 FtCEP3 的表达则被下调，这可能表明这两种微小分泌肽在调节植物根系对高铵的感知和响应中具有协同作用。此外，研究还发现一些基因如 FtNRT1.14、FtGDH1 和 FtNAC72/73 的表达受到高铵的抑制，这可能与植物对氮素的吸收和同化过程有关。

本研究通过多种分析手段，包括形态学分析、生化检测、转录组测序和基因组重测序，全面揭示了 Tartary buckwheat 在高铵环境下的生理和分子响应机制。这些发现不仅为理解植物对高铵的耐受性提供了新的视角，也为未来通过基因工程技术改良作物耐铵性提供了重要的基因资源。通过进一步的功能研究和基因编辑技术，有望筛选出具有高耐铵性和高氮素利用效率的作物品种，从而提高农业生产效率并减少氮肥的过量使用对环境的负面影响。