高粱氮利用效率的转录组和代谢组解析：探寻低氮胁迫下的分子适应机制

为探究高粱氮利用效率（NUE）机制，研究人员对两个高粱基因型进行研究，发现关键基因和代谢物，助力培育高 NUE 品种。

　　# 高粱氮利用效率的转录组和代谢组解析：开启低氮农业新希望
在农业生产的大舞台上，氮元素就像一位至关重要的 “幕后英雄”，对植物的生长发育起着关键作用。它是植物体内许多重要物质的组成部分，从蛋白质到核酸，都离不开氮的参与。然而，如今氮元素却陷入了一个 “尴尬” 的境地。一方面，土壤中氮元素不足常常成为限制植物生长、发育以及作物产量提升的 “瓶颈”。为了追求更高的作物产量，大量氮肥被施用到农田中。可另一方面，过量使用氮肥引发了一系列严重的环境问题，比如水体富营养化，导致藻类疯狂繁殖，破坏水生态平衡；还有土壤板结，影响土壤通气性和保水性，让土地变得 “疲惫不堪”。这些问题不仅威胁着全球生物燃料和粮食作物的生产，还对生态环境造成了难以挽回的破坏。

高粱，作为一种能在盐碱、干旱、炎热等恶劣环境中顽强生长的作物，在低氮环境下却也面临着产量受限的困境。尽管高粱在抗逆性方面表现出色，但氮肥的高成本却让种植户们头疼不已，在多数生产环境中，肥料成本占高粱生产成本的 8 - 15%。近年来，高粱的遗传研究取得了不少进展，有了参考基因组、转录组研究成果等。但在低氮条件下，通过转录组和代谢组分析来识别高粱氮利用效率（Nitrogen Use Efficiency，NUE）的特殊调控因子方面，相关信息却十分匮乏。为了填补这一空白，来自沈阳农业大学的研究人员 Wendong Gu、Yihao Feng 等人开展了一项深入研究，其成果发表在《Plant Growth Regulation》上。

研究人员采用了转录组和代谢组联合分析的方法，对两个对低氮胁迫响应差异显著的高粱自交系 398B（氮高效自交系）和 CS3541（氮低效自交系）进行研究。他们先将高粱种子在实验室气候室内进行水培，待幼苗长出两片完全展开的叶子时，一组继续在正常氮（Normal Nitrogen，NN）的 1/2 Hoagland 营养液中培养，另一组则转移到低氮（Low Nitrogen，LN）溶液中培养 10 天。随后，分别采集植株的地上部分和根系，用于后续分析。

在研究过程中，研究人员运用了多种技术方法。首先是转录组测序（RNA - seq），通过提取不同处理下植株叶片和根系的 RNA，构建 cDNA 文库并进行测序，以此来分析基因表达的变化情况。其次是代谢组分析，从叶片中提取代谢物，利用 UPLC - MS/MS 系统对其进行检测和分析，从而了解代谢物的种类和含量变化。同时，还进行了一系列生理指标的测定，如测量植株的干重、氮含量等，通过这些数据计算氮吸收效率（Nitrogen Uptake Efficiency，NUpE）和氮利用效率（Nitrogen Utilization Efficiency，NUtE）。

研究结果

1. 低氮对高粱形态和 NUE 的影响：低氮处理显著抑制了 398B 和 CS3541 的株高和叶片干重，但却使根系长度明显增加。在低氮胁迫下，398B 的根系长度和干重增长更为显著，且从低氮处理 4 天后开始，其 NUpE 和 NUtE 显著高于 CS3541，这表明 398B 在低氮环境下吸收和利用氮的能力更强。
2. 转录组分析：对 398B 和 CS3541 在不同氮处理下的叶片和根系进行转录组分析，发现除植物激素信号转导途径外，淀粉和蔗糖代谢以及苯丙烷生物合成途径在两个基因型中均显著富集。在淀粉和蔗糖代谢途径中，部分基因在叶片和根系中的表达存在差异，且一些基因在 398B 中的表达水平高于 CS3541。在苯丙烷生物合成途径中，多数基因在 398B 的叶片和根系中的表达也更高。此外，在根系中，与氮吸收相关的跨膜转运蛋白类基因在低氮处理下显著富集，且一些氮转运蛋白基因的表达在 398B 和 CS3541 之间存在差异。例如，两个低亲和力硝酸盐转运蛋白基因 Sobic.001G302800.v3.2（NRT1/PTR6.3）和 Sobic.004G193000.v3.2（NRT1/PTR6.4）在低氮处理下仅在 398B 的根系中上调表达。
3. 代谢组分析：对低氮处理下 398B 和 CS3541 的叶片进行代谢组分析，发现多种代谢物发生了变化。在低氮条件下，两个基因型的叶片中黄酮类化合物、酚酸、黄烷醇和糖类的含量均有所增加，但 398B 中这些代谢物的积累更为显著。同时，低氮处理导致叶片中氨基酸及其衍生物的含量下降，且 398B 中部分氨基酸的下降幅度小于 CS3541。
4. 转录组和代谢组联合分析：通过对 398B 和 CS3541 叶片的转录组和代谢组联合分析，发现一些关键基因和代谢物之间存在显著的相关性。例如，NRT1/PTR FAMILY 3.1/NPF3.1（Sobic.009G136900.v3.2）与多种代谢物相关，这些代谢物包括 N - (3 - Indolylacetyl) - L - alanine、mearnsetin - 3 - O - glucoside 等，分别属于氨基酸及其衍生物、黄酮类等不同类别。

研究结论与意义

综合转录组和代谢组分析结果，研究人员发现高粱在低氮胁迫下，398B 的 NUE 提高可能归因于其 NUpE 和 NUtE 的改善。398B 较高的 NUpE 与根系结构的有利改变以及氮转运蛋白基因表达的调整有关，使其根系能更有效地吸收氮营养。而其较高的 NUtE 则得益于叶片中蔗糖和淀粉代谢、苯丙烷生物合成等代谢途径的调整，以及酚酸、黄酮类、黄烷醇和糖类等代谢物的积累，这些变化优化了碳氮代谢，增强了高粱对低氮胁迫的耐受性。

这项研究为高粱氮利用效率的遗传和分子机制提供了新的见解，有助于识别关键的遗传资源，加速培育具有更高氮利用效率的高粱品种。这对于在低氮环境下提高作物产量、减少氮肥使用、实现可持续农业发展具有重要意义，为解决全球粮食安全和环境保护问题提供了新的思路和方法。