转录组与生理反应的综合分析揭示了高粱中木质素生物合成途径以及介导盐碱耐受性的相关基因

《Plant Stress》：Integrative Analysis of Transcriptome and Physiological Responses Reveals Lignin Biosynthesis Pathway and Genes Mediating Salt-Alkali Tolerance in Sorghum

盐碱胁迫（SAS）严重限制作物生长，高粱（Sorghum bicolor）因其较强的耐盐碱性成为研究模型。通过比较耐盐碱品种LTR108与敏感品种654的转录组、表型及生理生化分析，发现LTR108在盐碱胁迫下 shoot length（提升88%）、fresh weight（增10倍）、chlorophyll content（维持稳定）显著优于654，且MDA含量低、CAT活性高，提示其抗氧化能力更强。转录组分析揭示LTR108在木质素生物合成途径（如PAL、4CL、C4H基因显著上调）及MYB转录因子调控网络中表现特异性激活，同时通过碳水化合物代谢途径积累更多可溶性糖（提升27.3%）。这些机制共同解释了LTR108对复合盐碱胁迫（NaHCO3:Na2CO3=5:1）的增强耐受性，为作物耐盐碱育种提供新靶点。

　　在当今农业面临诸多挑战的背景下，盐碱胁迫（Salt-Alkali Stress, SAS）成为影响作物生长和产量的重要因素之一。盐碱土壤覆盖了全球约13.8亿公顷，对超过24亿人口的粮食安全构成威胁。尽管某些地区由于气候和土壤条件的特殊性，能够实现较高的农业利用潜力，但其实际利用效率仍然较低。随着全球气候和环境的变化，盐碱土壤的面积仍在持续扩大，这使得研究作物如何应对盐碱胁迫，成为农业科学领域的重要课题。为了应对这一挑战，科学家们不断探索植物在盐碱胁迫下的适应机制，以便开发出更具耐盐碱能力的作物品种。

在众多作物中，高粱（*Sorghum bicolor* L.）因其较强的耐盐碱能力而受到关注。作为C4植物，高粱在高温和干旱等逆境条件下表现出比其他作物更强的适应性。然而，不同品种的高粱在盐碱胁迫下的耐受性仍存在显著差异。例如，在盐碱胁迫条件下，某些品种表现出更高的存活率和生长能力，而另一些则容易受到胁迫影响。为了揭示这种差异的分子机制，研究者选择了两个具有显著差异的高粱品种——LTR108和654，分别代表耐盐碱和敏感的类型，进行综合的比较分析。

LTR108是一种甜高粱品种，表现出显著的盐碱胁迫耐受性。在盐碱胁迫下，LTR108的株高、鲜重和叶绿素含量均显著高于654。此外，LTR108在胁迫下表现出较低的丙二醛（MDA）含量和较高的过氧化氢酶（CAT）活性，这表明其抗氧化能力和细胞膜稳定性更强。相比之下，654在胁迫下表现出较高的MDA含量和较低的CAT活性，这可能与其较差的抗氧化能力和细胞膜损伤有关。这些结果表明，LTR108通过多种生理和生化机制，能够有效缓解盐碱胁迫带来的负面影响，从而保持较高的生长能力和存活率。

为了进一步解析这些差异的分子基础，研究者利用转录组分析、生理生化检测以及生物信息学方法，对LTR108和654在盐碱胁迫下的基因表达模式进行了系统比较。结果显示，在盐碱胁迫条件下，LTR108的许多关键基因表现出显著的上调，这些基因主要涉及苯丙烷类代谢途径（如PAL、4CL和C4H）以及与植物适应性相关的其他重要代谢通路。这些基因的上调与LTR108根部木质素沉积的增加相一致，这可能增强了细胞壁的机械强度，从而有助于其抵抗盐碱胁迫。此外，LTR108在胁迫初期表现出更高的MYB转录因子表达，这可能在调控木质素合成和胁迫适应中发挥关键作用。

在高粱中，木质素的合成与植物的抗逆性密切相关。木质素作为苯丙烷类代谢途径的终产物，不仅在细胞壁中起重要作用，还能通过增强细胞膜稳定性、调节离子平衡和抗氧化能力，提高植物对盐碱胁迫的耐受性。研究者通过显微镜下的碱性品红染色和定量分析发现，LTR108在胁迫下根部木质素沉积显著增加，这与其较强的抗氧化能力和较低的细胞膜损伤相一致。同时，LTR108在盐碱胁迫下表现出更高的可溶性糖含量，这可能与其更活跃的碳水化合物代谢相关，有助于维持细胞内的渗透平衡。

值得注意的是，尽管两个品种在盐碱胁迫下都表现出一定的基因表达变化，但LTR108的基因调控模式更为独特。例如，在盐碱胁迫条件下，LTR108上调的基因数量较少，但这些基因的表达水平较高，尤其是在苯丙烷类代谢途径中。相比之下，654在盐碱胁迫下上调的基因数量较多，但表达水平较低。这种差异可能反映了LTR108在应对盐碱胁迫时更倾向于启动特定的基因调控网络，从而更有效地维持其生理功能和生长状态。

此外，研究还发现，MYB转录因子在LTR108中表现出显著的上调，这可能在调控木质素合成和植物适应性方面起关键作用。MYB转录因子在许多植物中已知与木质素合成密切相关，它们通过调控相关基因的表达，影响木质素的积累和分布。LTR108中MYB家族基因的显著上调，可能与其在盐碱胁迫下增强细胞壁结构和调节渗透平衡的能力有关。

综上所述，LTR108通过调控木质素合成和碳水化合物代谢，表现出对盐碱胁迫的较强耐受性。这些发现不仅有助于理解高粱在盐碱胁迫下的适应机制，也为其他作物的耐盐碱性改良提供了理论依据和候选基因资源。未来的研究可以进一步验证这些关键基因在不同作物中的功能，以探索更广泛的农业应用。