转录组元分析揭示水稻对多种非生物胁迫的响应及新遗传因子的鉴定

为探究水稻对非生物胁迫的响应机制，研究人员进行转录组元分析，发现相关基因，为育种提供依据。

　　在广袤的农田里，水稻作为全球半数以上人口的主食，却常常面临着诸多 “生存挑战”。干旱、盐分和低温等非生物胁迫，就像一群 “捣乱分子”，严重影响着水稻的生长和产量。随着气候变化，这些胁迫的频率、强度和持续时间都在增加，水稻的 “日子” 愈发艰难。例如，在水稻开花期，严重的干旱胁迫能让产量锐减 70% 以上。同时，非生物胁迫还会诱导水稻产生活性氧物质（ROS），这些 ROS 会在细胞内积累，破坏细胞的正常状态，阻碍水稻的生长。

面对这些问题，来自伊朗沙希德?贝赫什提大学（Shahid Beheshti University）的研究人员 Asadollah Ahmdikhah、Mehdi Safaeizadeh 和 Alireza S. Tehranian 决心一探究竟。他们开展了一项关于水稻对干旱、盐和冷胁迫响应的研究，通过转录组元分析，寻找其中的遗传奥秘，相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们从公共数据库（Gene Expression Omnibus，GEO）下载了基于 Affymetrix 平台水稻基因组阵列（Rice Genome Array）的微阵列数据集，这些数据来自在正常条件和不同胁迫（干旱、盐和冷）下生长的水稻幼苗。接着，对原始数据进行分位数归一化、背景校正等预处理，并去除低强度和无信息的数据。然后，利用 R 语言中的 edgeR 和 Limma 等软件包进行差异基因表达分析，筛选出在不同胁迫下差异表达的基因（DEGs）。为了验证微阵列数据的元分析结果，还从 GEO/SRA 数据库检索了独立的 RNA 测序（RNA-seq）数据集进行分析。此外，通过实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT-PCR）在水稻品种 Neda 中对候选基因进行验证，并利用 Cytoscape 软件和 STRING 数据库构建蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络。

差异基因表达分析

研究人员对 57,000 多个探针集进行分析，通过元分析找出了可能与水稻耐干旱、盐和冷胁迫相关的基因。结果显示，干旱胁迫下有 375 个基因上调、298 个基因下调；盐胁迫下 281 个基因上调、313 个基因下调；冷胁迫下 1,273 个基因上调、2,996 个基因下调。通过维恩图分析，发现了不同胁迫组合下的共同差异表达基因，如干旱和盐胁迫共同响应的基因有 91 个，干旱和冷胁迫有 121 个，盐和冷胁迫有 108 个，而对三种胁迫都响应的基因有 14 个。进一步分析发现，这 14 个基因中有 12 个在三种胁迫下均下调，只有 2 个上调，分别是生长素响应蛋白（IAA6）和富含亮氨酸重复序列（LRR）的蛋白编码基因。

RNA-seq 分析验证

为了进一步验证元分析鉴定出的差异表达基因，研究人员对 14 个共同差异表达基因进行 RNA-seq 分析。结果显示，RNA-seq 数据与微阵列数据具有良好的一致性，尤其是在干旱胁迫下相关性更高。例如，IAA6 在严重干旱、盐和冷胁迫下均显著上调，而 LRR 蛋白编码基因在干旱和冷胁迫下显著上调。同时，也有多个基因在三种胁迫下均下调，如属于质子依赖寡肽转运（POT）家族的非 ABC 转运蛋白编码基因 Os10g0111700 等。

qRT-PCR 验证

研究人员利用 qRT-PCR 对元分析中筛选出的部分上调和下调基因进行验证。实验结果表明，这些基因的表达变化趋势与元分析结果相符，进一步证实了元分析结果的可靠性。例如，IAA6 和 LRR-like 基因在干旱、盐和冷胁迫下的表达倍数变化与元分析预期一致，6 个下调基因在不同胁迫下也呈现出相应的表达变化。

蛋白质 - 蛋白质相互作用网络分析

研究人员通过构建 POT 蛋白（由 Os10g0111700 编码）和 TraB 蛋白（由 Os08g0545700 编码）的蛋白质 - 蛋白质相互作用网络，发现 POT 蛋白与锰依赖的 ADP - 核糖 / CDP - 醇二磷酸酶（OsJ_25650）和钙调神经磷酸酶样磷酸酯酶（OsJ_34100）存在相互作用；TraB 蛋白与钼辅因子硫化酶 3（Os08g0545000）等多种蛋白存在相互作用，不过数据库未发现这两个下调基因编码蛋白之间的联系。

在研究结论与讨论部分，研究表明 IAA6 和 LRR 蛋白在干旱、盐和冷胁迫下的上调具有重要意义。IAA6 所属的 Aux/IAA 基因家族在植物对非生物胁迫的耐受性中发挥关键作用，参与调节气孔、影响分蘖生长等过程，过表达 IAA6 能提高水稻的耐旱性。LRR 蛋白则在植物对非生物胁迫的响应中，作为受体或共受体参与信号传导，激活防御途径，调节植物的生理生化反应，帮助植物适应逆境。

同时，研究发现 POT 家族蛋白等非 ABC 转运蛋白在三种胁迫下均下调，这会影响植物对氮等营养物质的吸收和转运。氮是植物生长必需的元素，这些转运蛋白的下调导致植物细胞无法正常获取营养，进而影响细胞生长和增殖，这也解释了为什么受胁迫植物的叶子会变黄。

此外，TraB 家族蛋白在胁迫期间的下调可能对水稻植株造成严重损害。TraB 家族蛋白参与内质网 - 线粒体的相互作用和线粒体自噬过程，对维持线粒体稳态至关重要。虽然在正常情况下，植物细胞中的叶绿体可以补偿线粒体功能的轻微干扰，但在胁迫条件下，TraB 家族蛋白的下调可能会打破这种平衡，影响植物的正常生长。

总的来说，这项研究通过转录组元分析，揭示了水稻对多种非生物胁迫的单一胁迫特异性和共同响应机制，鉴定出了关键的基因和蛋白，为深入理解水稻的抗逆机制提供了重要依据。这不仅有助于未来通过基因工程和分子育种培育出更具抗逆性的水稻品种，提高水稻在恶劣环境下的产量，保障全球粮食安全，也为其他植物抗逆研究提供了参考和借鉴，在植物遗传育种领域具有重要的理论和实践意义。