整合 RNA 测序与 ATAC 测序：揭示耐盐水稻品种抗氧化防御机制，助力培育抗逆水稻新种

《BMC Plant Biology》：Integrative RNA-seq and ATAC-seq analysis unveils antioxidant defense mechanisms in salt-tolerant rice variety Pokkali

为探究水稻耐盐机制，研究人员对耐盐品种 Pokkali 和敏感品种 IR29 进行研究，发现抗氧化防御机制关键基因，为育种提供靶点。

　　在广袤的农田里，水稻是人类重要的主食作物之一。然而，土壤盐渍化这一全球性难题，正严重威胁着水稻的生长与产量。据联合国粮食及农业组织相关数据显示，全球至少 10% 的土地受到盐渍化影响，这使得水稻在生长过程中面临诸多挑战。盐胁迫会导致水稻植株矮小、千粒重下降、小穗数量减少，最终造成产量大幅降低。

在众多水稻品种中，耐盐品种 Pokkali 能在盐碱环境中顽强生长，而盐敏感品种 IR29 在盐胁迫下则 “不堪一击”。深入探究 Pokkali 的耐盐机制，对培育更多耐盐水稻品种意义重大。为此，惠州学院生命科学学院以及华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室的研究人员开展了相关研究，研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先是转录组测序（RNA-seq），它能帮助研究人员了解基因的表达情况，就像是给基因的 “活动” 拍了一张高清照片。其次是转座酶可及染色质测序（ATAC-seq），这项技术可以找到开放的染色质区域，从而揭示基因表达调控的 “开关”。此外，研究人员还通过实时荧光定量逆转录聚合酶链反应（RT-qPCR）对关键基因进行验证，确保研究结果的准确性。

在研究结果方面，研究人员进行了一系列实验。在表型观察实验中，研究人员将 15 天大的 Pokkali 和 IR29 植株用 150mM NaCl 处理 7 天。结果发现，盐胁迫抑制了两种水稻幼苗的生长，叶片逐渐卷曲、叶尖发黄，部分茎下垂甚至倒伏。但 IR29 受到的损害更严重，其鲜重下降幅度更大，存活率也更低。这初步表明 Pokkali 的耐盐能力更强。

在生理参数分析实验中，研究人员测量了过氧化氢（H₂O₂）水平和抗氧化酶活性。结果显示，在正常条件下，Pokkali 的 H₂O₂水平比 IR29 低，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的活性更高。经过 7 天的 NaCl 处理后，两个品种的 H₂O₂水平都有所上升，但 IR29 积累的 H₂O₂更多，抗氧化酶活性增加幅度较小，导致活性氧（ROS）清除不足，氧化损伤更严重。而 Pokkali 则能通过显著提高抗氧化酶活性，更有效地清除 ROS，展现出更强的耐盐能力。

通过 RNA-seq 进行差异表达基因鉴定和富集分析时，研究人员对处理前后两个品种的叶片进行转录组测序。经质量控制后得到大量高质量数据，主成分分析表明实验重复性良好。在不同比较组中，发现了许多差异表达基因（DEGs）。例如，在 Pokkali 盐胁迫与对照的比较中，相关基因在木质素分解代谢和苯丙烷代谢等过程中显著富集。对盐胁迫下 Pokkali 和 IR29 的关键 DEGs 分析发现，它们在代谢和氧化还原途径上存在显著差异，涉及碳水化合物、氨基酸和能量代谢等多个方面。

在 ATAC-seq 数据集的峰值注释和启动子基序富集实验中，研究人员对盐处理后的叶片进行 ATAC-seq 分析。结果显示，Pokkali 的可及染色质区域数量比 IR29 更多。对 Pokkali 独特的可及染色质区域进行基序富集分析，发现了一些关键转录因子，如 OsWRKY54、AtSPT4 - 2 等，它们可能在调控水稻耐盐相关基因表达中发挥重要作用。

最后，对具有差异可及启动子区域的关键 DEGs 进行定量实时 PCR 验证，研究人员通过构建 PPI 网络等方法筛选出 4 个关键基因：MnSOD1、OsAPx7、OsGR1 和 Osppc3。qPCR 验证表明，这些基因在 Pokkali 的 mRNA 水平和启动子水平都高度表达，它们通过多种抗氧化和代谢机制，共同提高了水稻的耐盐性。

综合研究结论和讨论部分，该研究揭示了抗氧化防御机制在 Pokkali 耐盐过程中起着关键作用。MnSOD1、OsAPx7、OsGR1 和 Osppc3 等关键基因的上调，有助于维持细胞内的氧化还原平衡和细胞完整性。其中，MnSOD1 能有效清除超氧自由基，减少 H₂O₂积累；OsAPx7 参与叶绿体的抗氧化防御；OsGR1 可中和有害醛类；Osppc3 可能参与能量代谢，虽然其在耐盐中的具体作用还需进一步研究，但它的上调暗示了其在适应盐胁迫环境中的潜在价值。这些发现为水稻耐盐育种提供了重要的理论依据和潜在的基因靶点，有助于通过遗传改良提高盐敏感水稻品种的耐盐性，对保障全球粮食安全具有重要意义。<