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为解决烤烟生产中氮肥不合理施用问题，研究人员开展 “WGCNA 分析和鉴定烟草对不同氮水平响应的关键基因” 主题研究。他们发现氮水平影响烤烟生长及基因表达，筛选出关键转录因子和基因，为优化施肥策略提供理论依据。
在植物的生长发育进程中，氮元素扮演着至关重要的角色，它不仅是氨基酸、蛋白质和酶的重要组成部分，还参与核酸、激素、叶绿素等众多关键物质的合成，对植物的各项生理活动有着深远影响。对于烟草这种重要的经济作物而言，合理的氮素供应更是关乎其产量与品质。然而，在实际生产中，烤烟对氮肥的需求较大，常依赖大量甚至过量的化学肥料投入。这种不合理的施肥方式引发了一系列严峻的问题，比如土壤板结、重金属污染、有机质含量下降以及土壤酸化等，不仅破坏了土壤生态平衡，还对环境造成了负面影响。
在此背景下，深入探究烤烟在不同氮浓度环境下的氮代谢调控机制，筛选关键调控基因显得尤为迫切。这不仅有助于优化烤烟施肥策略，提高氮素利用效率，减少环境污染，还能推动烤烟产业的可持续发展。
贵州大学的研究人员针对这一问题展开了深入研究。他们通过整合转录组学和加权基因共表达网络分析（Weighted Gene Co-expression Network Analysis，WGCNA）技术，对不同氮处理的烤烟叶片进行研究，最终发表在《BMC Plant Biology》上。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：首先，设置了四个氮素处理组，分别为不施氮肥（0kg/hm2，T1）、缺氮（60kg/hm2，T2）、标准施氮（105kg/hm2，T3）和过量施氮（150kg/hm2，T4），在相同的磷钾肥施肥水平下进行实验，每个处理设置三个重复。待烤烟打顶十天后，采集叶片样本，一部分用于转录组测序，另一部分测定叶片氮含量。转录组测序时，提取叶片 RNA，构建 cDNA 文库后进行测序，分析基因表达水平，筛选差异表达基因（Differentially Expressed Genes，DEGs） 。同时，利用 R 软件的 WGCNA 包构建加权基因共表达网络，筛选与氮素响应相关的模块和关键基因，并通过实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）对部分基因进行验证。
研究结果如下：
- 不同氮处理下烟草的田间生长和叶片氮含量：不同氮水平处理的烟草在打顶 10 天后，田间生长和叶片氮含量差异显著。随着氮水平升高，叶片颜色加深，T4 处理的叶片衰老延迟，叶面积显著增大。T4 处理的叶片氮含量比 T3 处理高 1.48 倍，T2 处理比 T3 处理低 0.91 倍，T1 处理最低，仅为 T3 处理的 0.70 倍。
- RNA-seq 分析不同氮处理下烟草叶片：对 12 个样本进行 RNA 测序，共获得 70.80 Gb 数据，样本测序质量可靠。随着氮施用量增加，差异表达基因数量增多。KEGG 分析显示，不同处理中与氮代谢相关的通路富集情况不同，共鉴定出 14 个参与氮代谢途径的差异表达基因，其中 11 个参与氮同化，3 个参与氮运输。
- 加权共表达网络分析：过滤掉表达变化较小的基因后，将 7454 个差异基因聚类成 31 个模块。黑色和 lightcyan1 模块与烟草叶片对不同氮水平的响应密切相关。黑色模块包含转录因子 NtSRM1，lightcyan1 模块包含转录因子 NtERF11 和 NtWRKY3，推测它们是调节氮供应水平的关键转录因子。
- 关键基因功能分析：在黑色和 lightcyan1 模块中筛选出 5 个调节氮代谢的关键基因，分别为 NtGLN1-1（Nitab4.5_0000777g0010）、Nitab4.5_0000744g0010、Nitab4.5_0000653g0040、NtDFC（Nitab4.5_0006859g0020）和 NtGDSL（Nitab4.5_0003913g0010） 。这些基因的启动子区域包含多种与激素响应、环境胁迫响应相关的顺式作用元件。
- RT-qPCR 验证结果：随机选取 9 个差异表达基因进行 RT-qPCR 验证，结果表明 RNA-seq 数据可靠。
研究结论和讨论部分指出，氮水平显著影响烟草的生长和叶片氮含量，也影响基因表达和代谢过程。WGCNA 分析筛选出关键模块和转录因子，以及参与氮代谢调控的关键基因。其中，两个未知基因可能与 NtGLN1-1 在氮代谢中发挥相似重要作用；NtDFC 可能参与植物生长发育的多个方面，但其对氮的响应机制有待进一步研究；NtGDSL 对植物生长、抗逆性至关重要，且可能提高植物氮利用效率。
这项研究揭示了氮素施用对烤烟生长和基因表达的影响，为剖析烤烟氮代谢调控机制提供了理论基础，也为优化施肥策略、提高氮素利用效率提供了新的思路和实践参考，对推动烤烟产业的可持续发展具有重要意义。
