整合组学：解锁植物应对生物与非生物胁迫的奥秘，保障全球粮食安全

《Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology》：Integrated omics approaches for biotic and abiotic stress tolerance in plants

为应对气候变化下保障作物产量的问题，研究人员开展 “整合组学方法提升植物抗逆性” 主题研究。结果表明，整合组学可深入了解植物抗逆分子机制，开发可持续农业策略。意义在于助力培育抗逆作物品种，确保粮食安全，推动农业可持续发展。

　　在全球人口持续增长的当下，粮食供应的压力与日俱增。而气候的变化，让这一挑战愈发严峻。多变且难以预测的气候，给农作物的生长带来了重重危机，生物胁迫（如病虫害）和非生物胁迫（像干旱、高温、盐碱等）频繁发生，严重威胁着作物产量。为了寻找可持续的解决办法，保障全球粮食安全，来自中央大学哈里亚纳分校（Department of Biotechnology, Central University of Haryana）、印度国家植物基因组研究所（BRIC-National Institute of Plant Genome Research）以及德克萨斯理工大学（Institute of Genomics for Crop Abiotic Stress Tolerance, Texas Tech University）的研究人员，对整合组学方法在植物应对生物和非生物胁迫方面展开了深入研究。该研究成果发表在《Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。在基因研究层面，利用下一代测序技术对植物基因组和转录组进行测序，获取大量遗传信息。同时，借助代谢组学技术，分析植物代谢产物的变化。此外，通过单细胞多组学技术，从单细胞水平探究植物的分子机制。

整合组学方法应对生物胁迫
在研究植物应对生物胁迫的机制时，研究人员借助全基因组测序信息，对多种植物物种及其相关的微生物和昆虫进行研究。以绿豆（Vigna radiata L）为例，Kumar 等人通过探索其基因组资源，鉴定并表征了多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（PGIP）基因家族，发现该基因家族在绿豆对豆象的抗性中发挥着重要作用。
RNA 测序（RNA-seq）为研究宿主 - 病原体相互作用提供了有力支持。如在研究栀子花（Gardenia jasminoides Ellis）对引起褐斑病的真菌 Botryosphaeria dothidea 的反应时，RNA-seq 技术揭示了植物的响应机制。而且，研究中产生的 RNA-seq 数据存储在公共数据库中，成为宝贵的资源。Chauhan 等人就利用这些数据，鉴定出在条锈病抗性机制中起关键作用的环状 RNA。
转录组学在疾病控制方面也展现出创新应用潜力。传统的农药防治方法不仅成本高昂，还会对环境造成危害。而基于 RNA 干扰（RNAi）的方法和外源双链 RNA（dsRNA）的应用，有望降低病虫害防治成本并减少环境破坏。Srimahesvari 等人在综述中详细探讨了这些方法的有效性。同时，Bhat 等人的综述则强调了长链非编码 RNA 在植物发育和应激反应中的重要作用。
代谢物层面的干预同样为疾病管理提供了新途径。Farooq 等人运用代谢组学技术，识别出与 Withania coagulans 植物和米曲霉根际真菌相互作用相关的代谢物，深入了解了宿主 - 微生物的相互作用。此外，单细胞多组学技术在理解复杂分子机制方面前景广阔，相关研究为开发可持续的植物病害防治方案提供了新的思路。

整合组学方法应对非生物胁迫
面对非生物胁迫，研究人员也取得了一系列重要成果。在转录调控方面，Xia 等人对黄瓜的 III 组 WRKY 亚家族进行了全基因组分析，鉴定出 6 个 III 组 WRKY 转录因子，并明确了它们在植物生长、发育和应激反应中的作用。同时，对过氧化物酶体在非生物胁迫耐受机制中的研究也在展开，如对绿豆过氧化物酶体的研究，有助于了解其在胁迫条件下为能量生产提供备份的机制。
以盐胁迫为例，它是影响作物产量的主要非生物胁迫之一。Zhang 等人从甜菜（Beta vulgaris）中分离出 BvNHX1 基因，并在烟草中过量表达，结果发现转基因烟草的种子萌发率提高，生长状况改善，K+/Na+比值保持平衡，细胞膜损伤减少，从而增强了盐耐受性。Patil 等人在盐生植物露兜树（Pandanus odorifer）中鉴定出两个受盐胁迫诱导的天冬酰胺合成酶基因，其中 PoASN1 基因的高盐诱导表达尤为显著，这为理解露兜树适应高盐环境的机制提供了依据。
干旱胁迫对植物生长和生产力影响巨大。Sharma 等人评估了 6 个芥菜（Brassica juncea）品种对干旱胁迫的响应，发现 RH725 和 RH1566 品种能够保持较高的含水量、光合色素含量和抗氧化酶活性，表现出较强的耐旱性。Tyagi 等人通过对耐旱（N-22）和敏感（IR-64）水稻品种进行转录组分析，揭示了在终端干旱胁迫下的差异基因表达，如 OsNAC10、OsbZIP23 和 OsABA8ox1 等关键应激反应基因在 N-22 中上调，通过转录因子、氧化还原稳态和脱落酸（ABA）信号传导等途径，增强了水稻的耐旱性。此外，硫化氢（H2?S）信号在保护植物免受重金属毒性等胁迫方面发挥着重要作用，它能够激活与抗氧化防御相关的基因表达，调节植物的生理性能和结构变化。
在表型分析技术方面，近年来的显著进展为理解植物生理变化提供了有力支持。高通量表型分析借助遥感、成像、机器人和传感器网络等前沿技术，能够从大量植物中收集数据，有助于培育耐旱性强、育种周期短的作物品种。结合作物改良方法和表型组学技术，对种质资源进行全面表征，能够更好地挖掘遗传资源，培育抗逆品种。

研究结论表明，整合组学方法为深入理解植物应对生物和非生物胁迫的分子机制提供了强大的工具。通过多组学数据的整合，研究人员能够更全面地了解植物的应激反应，为开发新的农业策略和培育抗逆作物品种提供了理论基础。然而，目前在整合组学研究中仍面临一些挑战，如代谢组学和表型组学等资源相对有限，组学数据的有效利用还需进一步加强。未来，植物科学领域的研究人员需要加强合作，推动整合组学技术的发展和应用，充分利用现有的知识，快速培育出更多抗逆品种，这不仅有助于保障全球粮食安全，还能减少农业对环境的影响，实现农业的可持续发展。