基于转录组与生化分析的甘蓝型油菜早期干旱响应调控基因鉴定及其分子机制研究

《Scientific Reports》：Comparative transcriptomic and biochemical analyses reveal candidate regulatory genes associated with early drought response signatures in contrasting rapeseed (Brassica napus) cultivars

本研究针对甘蓝型油菜干旱胁迫响应机制不清的问题，通过比较干旱耐受型和敏感型品种在幼苗期的转录组和生化指标，鉴定出DREB2A、ABI5、NAC019等关键调控基因，揭示了其通过协调ABA信号通路、抗氧化防御和渗透调节等机制增强干旱耐受性，为油菜抗旱育种提供了重要靶点和理论依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱已成为制约农业生产的主要非生物胁迫因素之一。据联合国粮农组织(FAO)统计，干旱导致最不发达和中低收入国家农业减产超过34%，造成约370亿美元的经济损失。作为世界第三大油料作物，甘蓝型油菜(Brassica napus L.)对水分亏缺极为敏感，尤其在幼苗建立等关键生育期，干旱会显著影响其产量和品质。尽管前人已通过转录组学等技术鉴定出部分油菜干旱响应基因，但早期干旱应答的基因调控网络及品种间差异响应机制仍不清楚。

为解决这一问题，来自设拉子大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果，通过比较干旱耐受型(SLM046)和敏感型(Zarfam)甘蓝型油菜品种在短期干旱胁迫下的转录组和生化指标，系统揭示了早期干旱响应的分子特征。研究人员发现，耐受品种在生理生化水平表现出明显优势：相对含水量(RWC)更高(80.17% vs 47.71%)，脯氨酸积累更多(13.114 vs 4.593 μmol·g^-1 FW)，抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性更强，丙二醛(MDA)含量更低(0.087 vs 0.195 μmol·g^-1 FW)，表明其具有更强的渗透调节和氧化胁迫耐受能力。

为解析这些表型差异的分子基础，研究采用RNA-seq技术对对照和干旱处理的叶片样本进行转录组分析。通过NOISeq方法筛选差异表达基因(DEGs)，并利用维恩图将DEGs划分为四个关键亚组：A组(耐受品种特异的干旱响应基因)、B组(干旱条件下品种间差异基因)、C组(耐受品种干旱响应且品种间差异基因)和D组(品种间共同干旱响应基因)。基因本体(GO)富集分析显示，这些基因显著富集在"水分剥夺响应"、"脱落酸(ABA)响应"等生物学过程。京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路分析表明，"植物激素信号转导"是核心富集通路。

研究进一步聚焦"水分剥夺响应"类别的调控基因，发现多个转录因子(TFs)呈现品种特异性表达模式。在耐受品种中，DREB2A、ZAT10、MYB44、MYB96等基因受干旱显著诱导，而ABI5则明显抑制。蛋白激酶(PKs)如SRK2E、SRK2I和钙调蛋白类似蛋白(CMLs)如CML37、CML40也表现出相似的表达趋势。这些基因可能通过ABA依赖和非依赖途径协同调控干旱响应。

通过蛋白互作网络分析，研究鉴定出DREB2A、RD29B、NCED3、SRK2E和ABI5五个枢纽基因，它们在高密度互作网络中处于核心位置。这些基因构成早期干旱响应的核心调控模块，与ABA信号、活性氧(ROS)清除等功能密切相关。

qRT-PCR验证实验证实了RNA-seq数据的可靠性，所选8个基因的表达趋势与测序结果高度一致(R² = 0.93)。特别是AVP1基因在耐受品种中特异上调，该基因编码液泡H⁺-焦磷酸酶，可能通过调节离子稳态增强抗旱性。

关键技术方法包括：采用Illumina HiSeqTM 2500平台进行转录组测序，获得1.72亿条高质量读长；使用CLC Genomics Workbench进行基因组比对和差异表达分析；通过NOISeq方法筛选DEGs(标准：log₂FC≥2且差异概率≥0.99)；利用DAVID进行GO富集分析；采用STRING构建蛋白互作网络；qRT-PCR验证关键基因表达。

生化与生理性状分析

通过测定相对含水量、丙二醛、脯氨酸含量和抗氧化酶活性等指标，发现耐受品种SLM046在干旱胁迫下具有更高的水分保持能力、渗透调节能力和氧化胁迫耐受性。

转录组测序与比对统计

测序数据质量高(Q30>93.91%)，比对率平均达95.86%。主成分分析(PCA)显示处理和基因型间转录组差异明显。

DEGs分析

共鉴定19,436个DEGs，其中耐受品种在干旱条件下特有607个响应基因。这些基因主要富集在激素信号转导和次级代谢物合成通路。

"水分剥夺响应"相关DEGs

鉴定出124个与水分剥夺响应相关的基因，包括22个转录因子和5个转录调节因子。AP2/ERF、MYB和NFY-B是主要的转录因子家族。

基因网络分析

构建的蛋白互作网络揭示了DREB2A、RD29B、NCED3、SRK2E和ABI5等枢纽基因，它们通过协调ABA和钙信号通路调控早期干旱响应。

RNA-seq数据验证

qRT-PCR结果与转录组数据高度一致，验证了DREB2A、ZAT10等关键基因的表达模式。

本研究系统揭示了甘蓝型油菜早期干旱响应的分子特征，发现耐受品种通过协同调控转录因子(DREB2A、ZAT10、MYB15等)、蛋白激酶(SRK2E、SRK2I)、钙信号元件(CML37、CML40)和泛素连接酶(RDUF2、PUB23)，更有效地激活ABA和钙信号通路，增强抗氧化防御和渗透调节能力。这些发现为解析油菜抗旱机制提供了新视角，鉴定的候选基因为分子育种提供了重要靶标。未来通过时间序列转录组和代谢组学分析，结合基因功能验证，将进一步完善对油菜干旱适应机制的认知。