γ-PGA 介导棉花耐旱性的分子机制解析：转录组与生理联合揭秘

《BMC Plant Biology》：Unveiling the molecular mechanisms of γ-polyglutamic acid-mediated drought tolerance in cotton through transcriptomic and physiological analyses

干旱严重影响棉花生长，为探究植物生物刺激素 γ- 聚谷氨酸（γ-PGA）对棉花耐旱性的作用及机制，研究人员对 γ-PGA 处理和对照组的棉花幼苗进行干旱处理并分析。结果表明 γ-PGA 可增强棉花耐旱性，该研究为 γ-PGA 在棉花耐旱方面的应用提供理论基础。

　　在全球气候变化的大背景下，极端天气事件愈发频繁，干旱成为农业生产面临的严峻挑战之一。棉花作为重要的经济作物，对全球经济和人们的生活有着举足轻重的影响。然而，干旱会阻碍棉花正常的生长发育，导致其产量和品质大幅下降。目前，虽然有研究显示 γ- 聚谷氨酸（γ-PGA）能提高一些作物对非生物胁迫的抗性，但关于 γ-PGA 对棉花耐旱性的影响及相关分子机制仍不清楚。为了解决这一问题，新疆师范大学生命科学学院新疆特殊物种保护与调控生物学重点实验室以及新疆惠尔农业集团有限公司的研究人员开展了相关研究，该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员用到的主要关键技术方法有：首先，选择新疆农业科学院提供的陆地棉品种新陆早 42 进行实验，设置对照组和 γ-PGA 处理组，在棉花幼苗长出第一片真叶后进行不同处理。其次，对干旱处理后的棉花植株进行生理指标测定，包括丙二醛（MDA）、脯氨酸（PRO）含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）的活性检测。最后，进行 RNA 测序（RNA-seq），并运用一系列生物信息学方法对数据进行分析，如主成分分析（PCA）、差异基因表达分析（DEGs）、基因本体（GO）分类和富集分析、京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析等。

研究结果如下：

1. 外源性 γ-PGA 增强棉花耐旱性：在正常灌溉条件下，对照组和 γ-PGA 处理组的棉花植株表型无显著差异。但经过 14 天自然干旱处理后，对照组棉花叶片严重萎蔫，而 γ-PGA 处理组棉花植株表型更好。重新浇水 2 天后，γ-PGA 处理组棉花植株的存活率达到 88%，对照组仅为 44%。同时，干旱条件下，γ-PGA 处理组棉花叶片的 PRO 含量、SOD 和 POD 酶活性均高于对照组，MDA 含量则显著低于对照组。这表明 γ-PGA 增强了棉花植株的抗氧化能力，减轻了干旱胁迫对细胞的损伤。
2. 转录组分析：
   • 质量控制和比对结果：对转录组数据进行质量评估，结果显示 Q30 碱基比例不低于 94.91%，GC 含量在 43.13% - 43.53% 之间，各样本读取序列与参考基因组的比对率在 91.64% - 95.29% 之间，满足后续分析要求。
   • 样本复制相关性分析：通过计算皮尔逊相关系数评估样本的生物学复制相关性，并进行 PCA 分析。结果表明，对照组中 CK1 和 CK2 相关性较强，γ-PGA 处理组中 T2 和 T3 相关性较强，最终选择 CK1、CK2、T2 和 T3 进行后续分析。
   • 差异基因表达分析：在干旱胁迫条件下，共鉴定出 2245 个差异表达基因（DEGs），其中 γ-PGA 处理组中有 1658 个基因上调，589 个基因下调。
   • GO 富集分析：DEGs 在细胞组分（CC）、分子功能（MF）和生物学过程（BP）三个主要领域均有显著富集。在 CC 类别中，DEGs 显著富集于细胞核、细胞外区域等；MF 富集分析显示，DEGs 在 ATP 结合、DNA 结合转录因子活性等方面有重要意义；在 BP 领域，DEGs 主要富集于防御反应调节、光合作用等过程。
   • γ-PGA 处理改变众多转录因子的表达：转录因子在植物应对干旱胁迫中起关键调节作用。研究发现，γ-PGA 处理后，233 个转录因子的表达发生显著变化，这些转录因子属于 25 个不同的家族，其中 ERF、WRKY、NAC 和 MYB 家族的转录因子数量较多。进一步分析表明，γ-PGA 处理可诱导这些家族中一些关键转录因子的表达，从而增强棉花对干旱胁迫的耐受性。
   • KEGG 通路富集分析：KEGG 通路富集分析显示，851 个 DEGs 富集在 118 个不同的代谢通路中，其中植物激素信号转导途径、MAPK 信号通路等最为显著。
   • 与植物激素信号转导相关的 DEGs：在植物激素信号转导途径中，γ-PGA 处理主要影响油菜素内酯（BR）、乙烯（ETH）和脱落酸（ABA）的信号通路。γ-PGA 处理可促进 ETH 信号转导，上调 BR 信号通路中关键基因的表达，同时调节 ABA 信号通路中正负调控因子的表达，进而增强棉花对干旱胁迫的耐受性。
   
   

研究结论和讨论部分指出，外源性 γ-PGA 能够通过调节棉花幼苗的生理状态，增强其对干旱胁迫的耐受性。具体表现为 γ-PGA 可增强 SOD 和 POD 的活性，促进 PRO 的积累，减少活性氧（ROS）的积累，从而减轻干旱对细胞的损伤。此外，γ-PGA 还能通过调节众多转录因子的表达，影响 ETH、BR 和 ABA 等植物激素的信号转导通路，进一步增强棉花的耐旱性。该研究首次系统地揭示了 γ-PGA 介导棉花耐旱性的分子机制，为未来 γ-PGA 在提高棉花耐旱性方面的实际应用提供了坚实的理论基础，有助于推动农业生产中应对干旱胁迫的研究和实践发展。