大蒜热胁迫下内源激素变化及相关基因的生理与转录组解析：为耐热品种培育奠基

《BMC Plant Biology》：Physiological and transcriptome analysis of changes in endogenous hormone contents and related synthesis and signaling genes during the heat stress in garlic (Allium sativum L.)

为探究激素信号在大蒜（Allium sativum L.）热胁迫响应中的作用，研究人员以‘徐蒜 6 号’为材料，分析热胁迫下七种植物激素含量及相关基因表达变化。结果表明多种激素含量改变，相关合成与信号转导基因差异表达。该研究为大蒜耐热性研究提供依据。

　　在全球气候变暖的大背景下，高温天气越来越频繁，这对农作物的生长造成了极大的威胁。大蒜作为一种重要的蔬菜和药用作物，喜欢冷凉的气候环境。当大蒜在幼苗期遭遇高温时，其呼吸作用会增强，消耗大量养分，进而影响后续的生长发育，导致产量降低、品质下降。目前，虽然知道高温胁迫会影响植物的生理过程，但对于激素信号在大蒜应对热胁迫过程中所起的作用，人们了解得还很少。因此，开展对大蒜在热胁迫下激素变化及相关基因表达的研究就显得尤为重要。

江苏省徐州农业科学研究所（Xuzhou Institute of Agricultural Sciences in Jiangsu Xuhuai District）和南京农业大学（Nanjing Agricultural University）的研究人员针对这一问题展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。研究发现，热胁迫下大蒜叶片内的过氧化氢（H₂O₂）含量、过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量上升，而可溶性糖含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性下降，POD 在清除 H₂O₂过程中可能发挥重要作用。同时，转录组分析表明，植物激素信号通路在大蒜应对热胁迫中有着重要作用，与生长素（IAA）、赤霉素（GA）、乙烯（ET）、脱落酸（ABA）、茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）和细胞分裂素（CK）合成及信号转导相关的基因出现了差异表达。此外，MYB、AP2/ERF 等转录因子家族似乎参与了大蒜对热胁迫的适应过程，调控着对 ET、ABA 和 JA 等植物激素的响应。这一研究成果为后续的功能验证研究奠定了基础，也为探索大蒜的耐热基因资源提供了参考。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：首先是转录组测序技术，对不同热胁迫时间处理后的大蒜叶片样本进行测序，从而获取基因表达数据；其次是酶联免疫吸附测定（ELISA）技术，用于测量大蒜叶片中 IAA、GA₃、ABA、JA、SA、CTK 和 ETH 的含量；还有定量实时聚合酶链反应（RT-qPCR）技术，对部分差异表达基因进行验证，确保转录组测序结果的可靠性 。

下面来看具体的研究结果：

• 热胁迫下大蒜叶片的生理变化：研究人员通过评估与氧化损伤和抗氧化活性相关的多个参数来检测热胁迫对大蒜的影响程度。结果发现，随着热胁迫时间从 0 增加到 24 小时，POD 活性和 MDA 含量上升，SOD 活性下降，H₂O₂含量增加，可溶性糖和叶绿素含量下降，NBT 染色程度加深。这一系列结果表明，在 38℃热胁迫下，大蒜叶片产生了大量活性氧（ROS），出现了氧化损伤。
• 高温胁迫对大蒜叶片内源激素含量的影响：在热胁迫早期，大蒜叶片中 IAA 和 GA₃含量显著下降，4 小时时分别比 0 小时降低 60.35% 和 49.10%，不过 24 小时时又有所回升。与之相反，ABA、JA、SA、CTK 和 ETH 含量在 0 - 4 小时下降，24 小时时略有上升。（GA₃ + IAA）/ABA 比值在 0 - 4 小时迅速下降，24 小时后有所上升，这显示出大蒜叶片可能通过调节激素水平平衡来适应高温胁迫。
• 转录组测序及单基因注释：对热胁迫不同时间处理的大蒜叶片样本进行转录组测序后，研究人员获得了高质量的测序数据。基因表达数据显示，各处理的三个生物学重复之间相关性很强。与 0 小时样本相比，T2、T4 和 T24 样本中分别有 18529、20781 和 18643 个差异表达基因（DEGs）。4 小时时下调基因数量最多，24 小时时上调基因数量最多。
• DEGs 的 GO 富集分析：通过 GO 富集分析发现，DEGs 在细胞过程、代谢过程、生物调节和刺激响应等生物学过程，结合、催化活性和转运体活性等分子功能，以及细胞解剖实体和蛋白质复合物等细胞组成方面显著富集。此外，还发现与热胁迫相关的抗氧化活性和蛋白质折叠伴侣等 GO term。不同比较组中，上调或下调基因在这些富集 GO term 中的注释情况有所不同。
• DEGs 的 KEGG 通路富集分析：KEGG 通路富集分析表明，在 CK-vs-T2 比较中，植物激素信号转导通路（ko04075）高度富集，但在 T2-vs-T4 和 T4-vs-T24 比较中未进入前 20 位，这说明热胁迫开始后，激素相关基因表达变化迅速。在不同比较组中，其他显著富集的通路还包括内质网中的蛋白质加工、植物 - 病原体相互作用等。
• 基于时间表达模式的 DEGs 聚类：根据 DEGs 的时间表达模式进行聚类，并对各聚类结果进行 KEGG 富集分析。发现多个聚类中的基因与植物激素信号转导通路相关，例如在 profile one 和 profile six 中，该通路都在富集的 KEGG 通路前 20 位，涉及 IAA、ET、JA、ABA 等激素的合成和响应相关基因。
• profile two 中与植物激素信号相关的基因：profile two 中的 DEGs 在整个热胁迫过程中均下调，且在植物激素信号转导通路显著富集。研究人员从中选取了 8 个 DEGs 进一步分析，这些基因分别参与 JA、赤霉素（GA）、ABA、CK、IAA 等激素的信号转导过程。
• 差异表达的转录因子基因：研究人员还鉴定出了热胁迫下差异表达的转录因子（TF）基因，共涉及 42 个 TF 家族，其中 ERF、MYB、bHLH、NAC 和 WRKY 家族成员最为丰富。不同比较组中，各 TF 家族的上调和下调成员数量有所差异。研究还确定了一些关键的 TF 基因及其潜在的靶基因。
• 与激素合成和信号相关的 DEGs：研究发现，多个激素合成相关基因在热胁迫下差异表达。如 ABA 合成关键酶基因 NCED 和 SDR 表达上调，与 ABA 含量增加一致；JA 合成酶基因 LOX、AOS 等上调，可能与 JA 含量上升有关；IAA 合成相关基因 YUCCA8 在 2 小时时强烈下调，与 IAA 含量降低相符。激素信号通路相关基因也出现差异表达，如 IAA 信号通路基因在热胁迫早期下调，24 小时时部分上调；ABA 通路相关基因在热胁迫后期普遍上调等。
• RNA-seq 数据验证：为验证转录组测序结果，研究人员选取了 6 个激素生物合成和信号通路相关的 DEGs 进行 RT-qPCR 实验，结果表明这些基因在 RNA-seq 和 RT-qPCR 数据中的表达模式相似，证明了转录组测序数据的可靠性。
• 激素信号相关 DEGs 的 PPI 网络构建及枢纽基因鉴定：研究人员构建了激素信号相关 DEGs 的蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络，并鉴定出 15 个枢纽基因，这些基因分别参与 IAA、ET、CK 等激素的信号通路，可能在激素信号网络中发挥关键调节作用。

在研究结论与讨论部分，研究人员指出，热胁迫会导致大蒜幼苗中 ROS 产生增加，造成氧化损伤，同时影响植物激素水平和相关基因表达。IAA 和 GA₃含量下降，可能是大蒜抵抗高温的一种策略；ABA、JA、SA 和 ET 在大蒜应对热胁迫过程中也发挥着重要作用。此外，多种 TFs 参与了大蒜对热胁迫的响应，但它们的具体功能还需要进一步验证。该研究虽然存在一些局限性，如热胁迫处理时间点有限、缺乏基因功能验证、未涉及蛋白质翻译后修饰和代谢物水平变化等，但为后续研究奠定了基础。未来，进一步的多组学整合研究将有助于更全面地揭示大蒜应对热胁迫的机制，探索内源激素之间的协调关系及分子机制也将成为研究重点，这对于培育耐热大蒜品种具有重要的理论和实践意义。