《BMC Plant Biology》：A multi‐omics analysis reveals candidate genes for Cd tolerance in Paspalum vaginatum
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为解决农田镉（Cd）污染威胁人类健康和植物生长，且海滨雀稗（Paspalum vaginatum）镉耐受遗传机制未知的问题，研究人员开展了海滨雀稗镉耐受候选基因的多组学分析研究。他们鉴定出相关候选基因，揭示了分子遗传基础，有助于培育耐镉作物品种。
在如今的生态环境中，重金属污染已成为一个严峻的挑战，其中镉（Cd）污染对农田的危害尤为突出。它不仅严重威胁着人类的健康，通过食物链进入人体，引发各种疾病；还会影响植物的正常生长，降低作物的产量和质量。在众多受镉污染影响的植物研究中，海滨雀稗（Paspalum vaginatum Sw.）这种广泛种植于热带和亚热带地区的盐生草坪草，引起了科研人员的关注。虽然它具有较强的镉耐受能力，但长期以来，其耐受镉的内在遗传机制却一直是个谜。为了揭开这个谜底，深入了解植物应对镉胁迫的分子机制，来自海南大学等多个研究机构的研究人员展开了一项具有重要意义的研究。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为后续相关研究和耐镉作物的培育提供了关键的理论依据和基因资源。
研究人员在本次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，收集 92 份海滨雀稗种质资源构建关联群体，提取 DNA 构建文库并测序，利用特定软件筛选高质量单核苷酸多态性（SNP）进行全基因组关联分析（GWAS）和选择性清除分析；其次，选取不同镉耐受型的材料，对其在镉处理后的叶和根组织进行转录组测序，分析基因表达差异；再者，对相同样本进行广泛靶向代谢组分析；最后，通过计算基因与代谢物的相关性构建网络 。
下面来看具体的研究结果：
- 表型变异：研究人员评估了 92 份二倍体海滨雀稗在镉胁迫下的叶烧（LF）、萎蔫程度（WD）、地上部干重镉含量（SDW）和根部干重镉含量（RDW）等指标。随着胁迫时间增加，LF 的变异系数逐渐降低，SDW 和 RDW 的平均值分别为 125.54mg/kg 和 23517.91mg/kg，且变异系数不同。通过聚类分析，将海滨雀稗分为镉耐受（Cd-T）和镉敏感（Cd-S）两组。
- GWAS 和选择性清除分析：利用 2410092 个高质量 SNP 进行 GWAS，确定了 28 个与镉耐受相关的峰值 SNP，它们与 89 个候选基因相关联。例如，在 chr06 的 8.20Mb 区域发现与 WD8 显著相关的 PvHMA5 基因，其不同单倍型影响镉耐受性。同时，通过选择性清除分析，鉴定出 656 个假定的选择性清除区域，包含 946 个候选基因，这些基因参与多种生物过程和代谢途径。
- 转录组分析：对 Cd-T 和 Cd-S 两种基因型的叶和根进行 RNA 测序，分析镉胁迫下基因表达水平。结果显示，各比较组中上调基因数量多于下调基因，且根部的差异表达基因（DEGs）数量多于叶部，Cd-T 材料的 DEGs 数量多于 Cd-S。通过富集分析，发现 DEGs 主要参与水杨酸介导的信号通路、茉莉酸代谢过程等生物过程和氧化还原酶活性等分子功能，以及细胞色素 P450 对外源物质的代谢、钙信号通路等 KEGG 途径。
- 代谢变化：对转录组测序的相同样本进行非靶向代谢组学分析，主成分分析（PCA）显示镉处理组与对照组、根和叶组之间存在明显差异。在不同样本对中筛选出差异表达代谢物（DEMs），叶特异性 DEMs 主要为黄酮类、氨基酸及其衍生物和生物碱，根特异性 DEMs 主要为黄酮类、脂质和酚酸，这些代谢物可能与海滨雀稗的镉耐受性差异有关。
- 转录组和代谢组关联分析：通过计算代谢物与转录本丰度的相关系数，发现 597 个正相关和 37 个负相关的基因 - 代谢物对，涉及 55 个候选基因和 40 个代谢物，部分基因与多种关键代谢物显著相关。
在研究结论和讨论部分，研究人员发现海滨雀稗镉耐受材料为植物修复提供了宝贵资源，虽然它不是超积累植物，但具有较高的镉耐受性和一定的富集能力。通过 GWAS 和选择性清除分析，鉴定出多个与镉耐受相关的基因和区域，PvHMA5 基因在镉耐受中发挥重要作用。综合多组学分析，确定了 55 个与镉胁迫相关的重要候选基因，这些基因可能通过影响酚酸、氨基酸及其衍生物等的生物合成来增强镉耐受性。同时，研究还发现叶部可能是海滨雀稗镉耐受性差异的主要体现器官，多种信号通路和转录因子参与了镉胁迫响应。这项研究全面揭示了海滨雀稗应对镉胁迫的分子机制，为进一步理解植物镉耐受的遗传基础提供了新的视角。其鉴定出的候选基因可作为功能基因组学研究的潜在靶点，有助于培育耐重金属且高产的作物品种，在农业生产和环境修复领域具有重要的应用前景。
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