探秘植物生长与应激的调控密码：转录与转录后调控的重大发现

研究人员聚焦植物生长、发育和应激响应的转录和转录后调控，揭示关键机制，为作物改良提供依据。

　　在植物的奇妙世界里，它们要面对各种环境挑战，从干旱、高温等恶劣气候，到病虫害的侵袭。为了在这些复杂的环境中生存、繁衍，植物进化出了一套精密的调控机制。然而，一直以来，科学家们对植物体内基因表达在转录和转录后水平的调控机制了解还不够深入，不清楚这些机制如何协同工作，影响植物生长、发育和应对各种应激情况。这限制了人们在农业生产中对作物进行精准改良，难以培育出适应气候变化、高产优质且抗逆性强的新品种。

为了揭开这些谜团，来自印度现代艺术、科学与商业学院生物技术系、巴巴原子研究中心核农业与生物技术部门、霍米?巴巴国家研究所以及比利时安特卫普大学等多个机构的研究人员，开展了一系列深入研究。他们的研究成果发表在《Journal of Plant Growth Regulation》上，为我们认识植物的调控机制打开了新的大门，为未来农业的可持续发展提供了关键线索。

在研究过程中，研究人员运用了多种先进技术。其中，高通量测序技术（如下一代测序技术，Next-generation sequencing，NGS）发挥了重要作用，它能够对植物的基因组和转录组进行大规模测序分析，帮助研究人员快速获取海量的基因信息。此外，基因表达谱分析技术可以准确测定不同条件下植物基因的表达变化，从而揭示基因的功能以及它们在植物生长、发育和应激响应中的作用。

研究结果主要分为以下几个方面：

1. 转录调控与基因网络在植物生长和应激响应中的作用
   • Mariyam 等人探索了 MYB 转录因子（Transcription Factors，TFs）在植物生长、次生代谢和应激响应中的功能多样性和调控机制。MYB 转录因子在转录水平上对基因表达至关重要，它能结合基因启动子中的顺式元件，调节下游基因表达以应对非生物胁迫。同时，MYB 蛋白的功能还受泛素化、SUMO 化和磷酸化等转录后修饰的严格控制，并且会与其他调节蛋白相互作用，协同应对干旱、盐碱和温度胁迫。
   • Sanyal 等人强调了 AP2/ERF 超家族中的关键转录因子 ERF111/ABR1 在调节植物生长、发育和应激响应中的作用。ERF111/ABR1 既是转录激活因子又是转录抑制因子，是多个信号通路的核心调节者，尤其是在激素调节方面。它可作为多个激素和环境信号通路的交汇点，如同一个转录开关，调控应激条件下的基因表达网络，对其功能的深入理解有助于提高作物的抗逆性和针对性的作物改良策略。
   • Mondal 等人研究了脱水响应元件结合蛋白 1C（Dehydration-Responsive Element Binding Protein 1C，DREB1C）在调节水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）和氮利用效率（Nitrogen Use Efficiency，NUE）方面的作用，这两个指标与作物产量和抗逆性密切相关。DREB1C 作为多应激响应转录因子，参与了水稻氮素利用和产量调控，在多种应激缓解和信号通路中发挥作用，对其研究有助于开展适应气候变化的育种计划，培育高产、抗逆性强的作物品种。
   • Raya-González 等人回顾了 MEDIATOR 复合物（转录共激活因子）在植物生长、发育和应激适应中的作用。该复合物虽发现时间不长，但已证实可调节植物根系结构、激素响应、营养胁迫适应和分生组织细胞存活。MEDIATOR 亚基的特定突变不会影响植物存活，却能调节关键生理过程，而且它与激酶模块和 TOPLESS 阻遏物的相互作用会影响生长素和茉莉酸信号传导，进而影响相关转录因子的功能。
   • Dutta 等人回顾了控制马铃薯块茎形成的转录和转录后调控网络。块茎形成受光、温度和激素信号影响，研究发现韧皮部移动信号、转录因子和小 RNA 在调控块茎形成中发挥重要作用。例如，StBEL5 和 StSP6A 等关键调节因子从叶片转移到匍匐茎，激活块茎形成，这一过程还涉及糖转运蛋白和多聚嘧啶序列结合蛋白。研究强调了块茎形成过程中遗传和表观遗传的动态调控，以及源库组织间的分子对话对维持马铃薯产量的重要性。
   • Vukovi?等人研究了拟南芥中 BPM1（MATHBTB 蛋白）在耐热性方面的作用，重点关注其在蛋白酶体降解途径中的功能。研究发现，高温胁迫（Heat Stress，HS）单独处理会导致拟南芥幼苗严重受损，尽管热响应基因（如 DREB2A、HSFA3、HSP90）上调，但预先的热激预处理（37°C）可通过激活 HSFA2（应激记忆基因）和 ONSEN 反转录转座子增强耐热性，改善光合作用性能和长期存活率。BPM1 过表达有助于植物获得耐热性，为提高作物对气候变化的适应能力提供了新的研究方向。
   • Bisht 等人回顾了植物耐盐机制，比较了盐生植物和甜土植物，并重点研究了钙（Ca2?）依赖的信号通路。研究表明，Ca2?信号在植物耐盐过程中起着关键作用，涉及钙调神经磷酸酶 B 样蛋白（Calcineurin B-like，CBL）、CBL 相互作用蛋白激酶（CBL-interacting protein kinases，CIPKs）、钙依赖蛋白激酶（calcium-dependent protein kinases，CDPKs）和钙调蛋白等关键成分。
   • Nú?ez-Lillo 等人研究了桃果实发育过程中关键转录因子 NAC072 的作用，尤其是其对果实缓慢成熟表型的影响。通过转录组分析构建了 NAC072 调控网络，发现了另外三个参与早期果实发育的转录因子 HB12、HAT9（同源框 - 亮氨酸拉链蛋白）和 MYBR1。研究表明，NAC072 可能通过脱落酸（Abscisic Acid，ABA）和赤霉素（Gibberellic Acid，GA）信号通路影响苯丙烷生物合成和细胞壁重塑。
   • Dhiman 等人回顾了植物应对重金属（Heavy Metal，HM）胁迫的分子防御机制，从基因组、转录组、蛋白质组、代谢组和表观基因组等多个层面进行了分析。研究强调了理解植物感知、响应和适应重金属胁迫的重要性，深入探讨了控制金属解毒、运输和胁迫信号传导的调控网络，为生物技术应用提供了潜在方向，例如培育抗重金属作物以提高农业生产力和进行环境修复。
   • Rani 等人回顾了溶锌细菌（Zinc-solubilizing bacteria，Zn–SB）在提高锌有效性和促进植物生长方面的作用，重点研究了其分子机制和植物 - 微生物相互作用。溶锌细菌可分泌有机酸、螯合剂、植物激素和抗菌化合物，增强锌的植物有效性，促进作物生长和提高产量。研究还讨论了锌溶解、植物锌吸收和转运的机制，以及开发适应不同作物和气候的细菌菌群的努力，为可持续农业和土壤健康管理提供了支持。
   
   
2. 转录后和表观遗传调控在植物抗逆性中的作用
   • Shakespear 等人回顾了植物对非生物胁迫响应的分子和生理机制，包括应对极端温度、干旱、洪水、盐碱和重金属毒性的策略。植物进化出了复杂的抗性机制，涵盖胁迫信号感知、信号级联反应、基因表达调控、蛋白质合成和翻译后修饰等多个环节，该研究深入分析了植物检测和响应胁迫的分子信号通路，这些通路对增强植物耐受性至关重要。
   • Baruah 等人对茶树进行了全基因组长链非编码 RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs）分析，以研究其在温度胁迫响应中的作用。研究鉴定出 23,589 个推定的 lncRNAs，其中 2,483 个在温度胁迫下差异表达。通过加权基因共表达网络分析（Weighted gene co-expression network analysis，WGCNA）发现，445 个差异表达的 lncRNAs 与 544 个参与蛋白质折叠、缺氧响应、水分运输和胁迫适应的温度响应基因共表达。此外，竞争性内源 RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）分析表明，230 个 lncRNAs 通过 106 个微小 RNA（microRNAs，miRNAs）调控 400 个差异表达基因。这些结果表明 lncRNAs 是培育抗气候变化茶树品种的关键调控元件。
   • Lopes 等人研究了栓皮栎（cork oak）栓皮形成的转录后调控，重点关注微小 RNA（miRNAs）在栓内层活动和分化中的作用。通过对分化中的栓皮和木质部进行比较小 RNA 转录组分析，鉴定出 246 个差异表达的 miRNAs，其中 74 个是保守的。栓皮中最丰富的 miRNA 家族包括 MIR165/166、MIR167、MIR168 和 MIR390，它们与序列特异性 DNA 结合功能相关。此外，还鉴定出关键转录因子（HD-ZIP III、WRKY、NAC、MYB）是这些 miRNAs 的靶标，表明它们参与了栓皮分化。这些发现为栓皮形成过程中的 miRNA 调控提供了新的见解，为森林管理和可持续栓皮生产提供了潜在的应用方向。
   • Gangwar 等人研究了月季中胞嘧啶 - 5 DNA 甲基转移酶（Cytosine-5 DNA methyltransferases，C5-MTases）的作用，重点关注其在基因调控、基因组稳定性和抗逆性方面的功能。研究在月季中鉴定出 10 个 C5-MTases，并将其分为四个亚组：CMT、MET、DRM 和 DNMT2。对顺式调控元件的分析表明，它们参与了植物生长、植物激素信号传导和应激响应。在高温胁迫下，关键的 RcC5MTase 基因（RcCMT1、RcCMT2、RcMET1、RcMET2、RcDRM1 和 RcDRM3）显著下调，而热休克因子 RcHsp17.8 上调，有助于提高月季的耐热性。这些发现为 DNA 甲基化在植物应激适应中的作用提供了有价值的见解，为未来月季表观遗传调控的研究奠定了基础。
   • Mali 等人对马铃薯中的含 JmjC 结构域的组蛋白去甲基化酶（StJMJs）进行了全基因组分析，探索其在耐热性方面的作用。研究鉴定出 26 个 StJMJ 蛋白，并根据保守基序、结构域和系统发育关系将其分为五个亚组（KDM5/JARID1、KDM4/JHDM3、KDM3/JHDM2、JMJD6 和 JmjC-only）。启动子分析揭示了与光、激素、发育和应激响应相关的顺式调控元件。这些结果表明 StJMJ 基因是马铃薯耐热性的关键表观遗传调控因子，为应对气候变化的作物改良策略提供了新的靶点。
   • Khare 等人研究了水稻中已知在水稻籽粒发育中起作用的微小 RNA Osa-miR1861e 在调节对钠（Na?）诱导胁迫响应中的作用。研究构建了过表达 Osa-miR1861e 的转基因水稻株系，发现其在 NaCl 和 Na?特异性处理下表达水平升高。通过 RLM-RACE 实验验证了 Osa-miR1861e 调控防御相关基因 OsGST 和参与生长素运输的 OsPILS7b。这些结果表明 Osa-miR1861e 是 Na?胁迫响应的关键参与者，为通过基因工程或选择育种策略培育耐盐水稻品种提供了潜在靶点。
   • Awan 等人研究了褪黑素在缓解珍珠粟干旱胁迫中的作用，重点关注其对生长、生理、氧化应激和抗氧化防御的影响。研究通过对不同浓度褪黑素进行种子预处理和叶面喷施实验，发现褪黑素可通过改善光合作用、促进脯氨酸积累和提高抗氧化酶活性来增强珍珠粟的耐旱性。处理后的植株氧化损伤减轻，表现为过氧化氢（H?O?）和丙二醛（MDA）水平降低，同时过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽还原酶（GR）的活性增加。这些结果表明，褪黑素的应用有望成为提高干旱地区作物抗逆性和产量的有效策略。
   
   
3. 植物应激与发育中的功能和应用基因组学
   • Singh 等人回顾了下一代测序技术在药用植物基因组学和转录组学中的进展，强调其在新基因发现、功能分析和通路映射方面的作用。该综述提供了转录组学进展、下一代测序技术应用和当前面临挑战的最新概述，有助于深入了解基因功能、次生代谢物途径和改进植物选择方法，突出了下一代测序技术在药用植物研究中的强大作用，为植物药学的发展奠定了基础。
   • Sahoo 等人研究了硫脲（Thiourea，TU）这种非生理性硫醇在增强大豆品种对钾缺乏（Potassium Deficiency，KD）耐受性方面的作用，重点关注光合作用、抗氧化防御和 ABA 信号传导。研究分析了 19 个 K?转运蛋白基因，发现 Maus47（MS）品种在 KD 条件下比 Gujosoya2（GS）品种的转录响应更强。补充 TU 可改善 KD 条件下植物的表型，尤其是在 MS 品种的根系中，钾积累增加了 2.99 倍。此外，TU 还调节 ABA 信号传导，使 GS 品种中 ABA 水平增加 1.60 倍，而 MS 品种中 ABA 水平降低 0.87 倍。这些结果为大豆中 TU 介导的 KD 耐受性提供了分子基础，为在缺钾土壤中提高作物抗逆性提供了潜在策略。
   • Amombo 等人研究了玉米糖转运蛋白基因 ZmSWEET7 在增强饲用玉米耐盐性和生物量积累方面的作用。通过全基因组分析鉴定出 19 个 SWEET 基因，其中 11 个在盐胁迫下表现出响应性表达。ZmSWEET7 在高糖产量的玉米品种中高度表达，其过表达可增加 CO?同化、可溶性糖含量、干物质积累，并提高光合效率（FV/FM 和 phiCO）。这些结果表明，ZmSWEET7 在盐胁迫下增强了碳固定效率，在糖积累和生物量生产中起关键作用。
   • Shokouhifar 等人在鹰嘴豆中鉴定出 CaDRRG，这是一种在感染引起鹰嘴豆褐斑病的病原菌 Ascochyta rabiei 后 3 小时内迅速诱导的早期响应基因。通过基因组分析鉴定了 CaDRRG 启动子中的关键顺式调控元件，并通过比较抗性和感性鹰嘴豆基因型发现了三个新的调控元件。为了测试其诱导性，将 700 bp 的 CaDRRG 启动子片段克隆到 β - 葡萄糖醛酸酶（beta-glucuronidase，GUS）报告基因上游，并通过农杆菌介导的注射法导入本氏烟草叶片中。GUS 酶活性测定证实 CaDRRG 可被 A. rabiei 真菌提取物诱导，表明其有潜力作为病原菌诱导型启动子。
   • Hamdi 等人对甜菜中的细胞壁相关激酶（Wall-Associated Kinase，WAK）和类 WAK（WAK-like，WAKL）基因进行了全基因组特征分析，重点关注其在发育和应激响应，特别是对甜菜胞囊线虫（Beet Cyst Nematode，BCN）感染的作用。研究鉴定出 55 个 BvWAK/WAKL 基因，它们具有不同的理化性质和 10 个保守基序，其中三个基序可作为区分 WAKs 和 WAKLs 的特异性标记。比较系统发育分析表明，甜菜的 WAK/WAKL 基因与野生海甜菜的相关基因存在联系，暗示了野生基因渗入栽培品种的潜力。BCN 感染后的表达分析显示，13 个 BvWAK/WAKL 基因仅在抗性品种中上调，表明它们在抗线虫方面具有潜在作用。
   • Kamali 等人鉴定并表征了鹰嘴豆中的核心脱落酸（ABA）信号传导成分，重点关注其在非生物胁迫耐受性和种子发育中的作用。研究鉴定出 8 个 CaPYLs、11 个 CaPP2C-As 和 13 个 CaSnRK2s，基因复制事件促使了这些基因家族的扩张。基因表达分析（RNA 测序和实时荧光定量 PCR）表明，CaPYL4、CaPP2CA4、CaPP2C-A11 和 CaSnRK2.9 在干旱、盐胁迫、ABA 响应和种子发育中起关键作用，可能影响作物产量。通过计算机模拟相互作用分析进一步揭示了 ABA 信号传导蛋白之间的功能联系。这些发现为培育高产、抗逆性强的鹰嘴豆品种提供了新的靶点。
   • Bosamia 等人研究了盐生草 Aeluropus lagopoides 的耐盐分子机制，该植物通过特殊的盐腺排出多余盐分。通过 RNA 测序分析，研究在不同时间点鉴定出 NaCl 胁迫下参与排盐、渗透调节和转录调控的关键基因。关键转录因子，包括 ERF RAP213、WRKY33 和 ZFP52 显著上调。此外，盐胁迫还诱导了与渗透保护剂生物合成、抗氧化酶和胚胎晚期丰富蛋白（late embryogenesis abundant，LEA）相关的基因表达。这些发现为耐盐机制提供了有价值的见解，可应用于提高盐碱环境中作物的抗逆性。
   • Negi 等人通过比较传统果阿水稻品种 Korgut（对高盐度水具有抗性）和盐敏感品种 IR64 的转录组谱，研究了 Korgut 的耐盐机制，并分析了盐胁迫下的形态生理和生化响应。发现关键的盐响应基因包括含 MATH 结构域的蛋白 1 样（LOC107275276，类似于 OsMBTB32）和转录因子如 bHLH089、bHL
   
   
Negi 等人通过比较传统果阿水稻品种 Korgut（对高盐度水具有抗性）和盐敏感品种 IR64 的转录组谱，研究了 Korgut 的耐盐机制，并分析了盐胁迫下的形态生理和生化响应。发现关键的盐响应基因包括含 MATH 结构域的蛋白 1 样（LOC107275276，类似于 OsMBTB32）和转录因子如 bHLH089、bHLH137、MADS-box 32、L10 - 相互作用 MYB 和 GATA - 12 等，这些基因可能在调节应激反应基因中发挥作用。此外，钙调蛋白结合蛋白 60B（LOC4351085）的上调表明其在病原体防御和盐胁迫缓解中具有双重作用。这些结果表明，Korgut 的耐盐性是由一系列调节信号转导、代谢、转录和 DNA 修复的基因驱动的，使其成为培育耐盐水稻品种的有价值候选材料。

• Sah 等人研究了大豆中脱落酸激活的蛋白激酶（AAPK）GmAALK1 在干旱胁迫响应中的作用，重点关注其在 ABA 介导的信号通路中的功能。GmAALK1 功能缺失（RNAi）突变体对干旱更敏感，而过表达株系则表现出增强的抗旱性。通过对根系转录组分析，鉴定出 12 个受 GmAALK1 调控的干旱响应基因，进一步证实了其在应激适应中的作用。这些结果表明，GmAALK1 是培育耐旱大豆品种的关键遗传靶点，在提高受气候变化影响的其他作物的抗逆性方面也具有潜在应用价值。
• Bajpai 等人在木豆中鉴定出 41 个病原体响应的 CcNBSLRR 基因，并分析了它们在响应尖孢镰刀菌感染时的基因结构、基序、顺式元件和染色体分布。值得注意的是，抗性品种中的 CcNBS 125、CcNBS 244 和 CcNBS 136 在接种后 6 小时内迅速上调，而在易感品种中，CcNBS 255 和 CcNBS 161 在接种后 72 小时才被诱导表达。这些发现为木豆抗枯萎病的遗传基础提供了关键见解，为培育抗病木豆品种提供了潜在靶点。
• Berk 等人研究了腐胺（Putrescine，Put）和丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）对草莓（Festival 品种）生长、产量、果实生化特性和开花的联合影响。虽然已知 Put 能促进植物发育，但它与 AMF 在田间联合应用的效果尚未得到充分研究。研究测试了两种 Put 浓度（100 和 150 ppm）和两种 AMF 物种（Funneliformis mosseae 和 Gigaspora margarita），发现 Put 对 AMF 的定植有积极影响，尤其是在 F. mosseae 处理的植株中。单独使用 Put 能促进草莓冠部生长和提高果实糖分含量，而 G. margarita 则延长了草莓的收获期。这些结果强调了 AMF 和 Put 在提高草莓产量和品质方面的协同作用，为可持续农业实践提供了一种新方法。
• Alyammahi 等人对马铃薯编码核糖体蛋白 S27 的基因 StD26 进行了功能表征，通过转基因拟南芥植株评估其在耐盐性中的作用。此前，StD26 在酵母中被证明与高渗胁迫耐受性有关，但在植物中的功能尚不清楚。过表达 StD26 的转基因拟南芥在 200 mM NaCl 胁迫下，与野生型植株相比，生长状况更好（地上部 / 根更长），叶绿素和类胡萝卜素含量增加，气孔导度更佳。此外，StD26 转基因植株的电解质渗漏和丙二醛水平较低，表明在盐胁迫下其膜完整性得到改善。这些结果表明，StD26 是耐盐性的关键调节因子，在提高盐渍环境中作物的抗逆性方面具有潜在应用价值。


研究结论和讨论部分表明，这些研究成果显著加深了人们对植物生长、发育和应激响应的转录和转录后调控机制的理解。研究揭示了控制基因表达、表观遗传修饰、转录因子和代谢途径的复杂分子网络，这些网络决定了植物对各种环境挑战的适应性。研究中鉴定出的关键转录因子，如 MYB、ERF111/ABR1 和 DREB1C 等，在调节作物应激反应、次生代谢和养分利用效率方面发挥着重要作用。对 MEDIATOR 复合物和组蛋白去甲基化酶的研究为染色质重塑和基因调控提供了新的见解，为作物改良策略提供了潜在的应用方向。此外，微小 RNA 在植物发育和抗逆性中的作用也得到了进一步阐明，特别是在栓皮形成、耐盐性和耐热性方面。全基因组分析，如对马铃薯块茎形成、盐生植物耐盐性和鹰嘴豆 ABA 信号传导的研究，从遗传和生理层面深化了人们对植物应对生物和非生物胁迫的认识。关于糖转运蛋白、重金属胁迫耐受性和钾利用效率的研究，为提高作物养分吸收和抗逆性提供了新策略。同时，研究中关于病原体诱导的基因调控、抗线虫性和早期应激响应启动子的新发现，为培育抗病和适应气候变化的作物奠定了基础。高通量测序、组学技术和基因表达谱分析等技术的整合，显著增强了人们在分子水平上解读植物响应的能力，为精准遗传干预提供了可能。这一系列研究成果为植物科学、遗传学和生物技术领域的研究人员提供了宝贵的信息，有助于推动可持续农业发展，培育更适应气候变化、高产且抗逆性强的作物品种，保障全球粮食安全。