揭秘小麦抗旱 “密码”：CGA1-SNAT 模块调控褪黑素合成的关键作用

为探究干旱胁迫下小麦褪黑素（Melatonin）合成调控机制，研究人员发现 CGA1-SNAT 模块关键作用，助力作物抗逆研究。

　　在广袤的农田里，小麦作为全球重要的粮食作物，却常常遭受干旱的威胁。干旱就像一场无情的 “杀手”，严重影响着小麦的生长和产量。植物在进化过程中虽已发展出多种应对机制，但其中的分子机制仍迷雾重重。褪黑素（N - 乙酰 - 5 - 甲氧基色胺，Melatonin）作为植物激素，在调节植物生长、发育和应对逆境方面发挥着关键作用，它不仅能清除活性氧（ROS），还能与其他激素协同调控植物的生理过程。然而，在干旱胁迫下，小麦中褪黑素的生物合成调控机制却尚不明确。为了揭开这层神秘的面纱，来自伊朗高等教育中心埃格利德农业与自然资源系、瑞典斯科夫德大学生物科学学院以及伊朗设拉子大学作物生产与植物育种系的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先利用生物信息学平台 wGRN 对小麦 SNAT 基因进行分析，挖掘潜在的调控因子和基因调控网络；接着，选取了两个不同耐旱性的小麦品种 Sirvan（耐旱型）和 Moghan3（敏感型），在温室中进行干旱胁迫实验，设置不同时间点采集叶片样本；随后，运用实时荧光定量 PCR（qPCR）技术检测基因表达水平，酶联免疫吸附测定（ELISA）法定量分析内源性褪黑素和细胞分裂素（CK）含量，还使用专业仪器测定光合作用参数、过氧化氢（H?O?）和丙二醛（MDA）含量；最后，对数据进行统计分析，明确各指标间的关系。

研究结果如下：

1. 小麦 SNAT 基因的生物信息学分析：通过 wGRN 平台分析发现，SNAT 基因在叶片和茎中的表达量较高。结合相关算法，筛选出 88 个转录因子（TFs），其中 GATA 家族的 CYTOKININ-RESPONSIVE GATA FACTOR 1（CGA1）与 SNAT 关联紧密，在基因调控网络中处于关键地位。
2. CGA1-SNAT 模块的表达分析：在干旱胁迫下，两个小麦品种中 CGA1 和 SNAT 基因的表达趋势一致，但耐旱品种 Sirvan 的基因表达峰值出现时间更早，且表达量更高。
3. 内源性褪黑素和细胞分裂素含量测定：非胁迫条件下，两个品种的褪黑素含量无显著差异；干旱胁迫后，Sirvan 的褪黑素含量在 6 小时达到峰值，而 Moghan3 在 24 小时才达到峰值，且 Sirvan 的褪黑素含量始终高于 Moghan3。细胞分裂素含量在两个品种中均在非胁迫时最高，且 Sirvan 的含量一直高于 Moghan3。
4. 光合作用参数评估：干旱胁迫导致两个品种的所有光合作用参数均发生显著变化。Sirvan 的 SPAD 值、光合速率（A?）、蒸腾速率（E）、气孔导度（g?）和内在水分利用效率（WUE?）在各时间点均高于 Moghan3，主成分分析（PCA）表明褪黑素含量与这些参数呈正相关。
5. H?O?和 MDA 含量评估：干旱处理后，Moghan3 的 H?O?和 MDA 含量显著增加，且在 24 小时和 48 小时时明显高于 Sirvan，说明 Moghan3 受到的氧化损伤更严重。
6. 外源细胞分裂素和抑制剂处理的影响：对敏感品种 Moghan3 施加外源细胞分裂素（BAP），显著上调了 CGA1 和 SNAT 基因的表达，增加了褪黑素含量、SPAD 值和叶绿体数量；而施加细胞分裂素抑制剂（PI-55）则产生相反的效果。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了小麦中 CGA1-SNAT 模块与干旱耐受性之间的紧密联系。较高的褪黑素水平有助于提高小麦在干旱条件下的光合效率，通过保护叶绿体结构、调节气孔导度和碳固定途径等机制减轻干旱胁迫。细胞分裂素信号通路通过 CGA1 调控 SNAT 的表达，进而影响褪黑素的生物合成。这一发现为深入理解小麦应对干旱胁迫的分子机制提供了新视角，CGA1-SNAT 模块有望成为未来作物遗传改良和生物化学干预的重要靶点，为培育更具抗旱性的作物品种提供理论依据和技术支持，对保障全球粮食安全具有重要意义。