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在植物应对环境胁迫的过程中，脱落酸（ABA）介导的生长 - 防御转变机制尚不明确。研究人员通过整合高分辨率时间序列 RNA-seq 数据与动态网络分析，识别出关键转换信号（CTS）。该研究为理解植物应激反应提供新视角，有助于提升作物抗逆性。
在植物的奇妙世界里，它们时刻面临着环境变化的挑战。为了生存和繁衍，植物必须巧妙地平衡生长和防御这两种重要的生命活动。脱落酸（Abscisic Acid，ABA）作为植物应对环境胁迫的关键调节因子，在这个过程中发挥着核心作用。它能够调控植物从生长状态转换到防御状态，然而，其背后的分子机制却如同隐藏在迷雾中的宝藏，一直未被完全揭开。此前，虽然科学家们已经知道 ABA 在植物适应环境胁迫中意义重大，但对于它究竟如何精确调控植物从生长到防御的转变过程，以及在这个过程中基因表达是怎样动态变化的，仍然知之甚少。为了深入探索这些奥秘，来自伊朗农业研究、教育和推广组织（AREEO）下属的多个机构以及印度喀拉拉农业大学的研究人员，开展了一项旨在解析 ABA 诱导植物生长 - 防御转变分子机制的研究 。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为我们理解植物的应激反应提供了全新的视角，也为提高作物的抗逆性奠定了理论基础。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，他们从 NCBI Short Read Archive（SRA）数据库选取了时间序列 RNA 测序（RNA-seq）数据集，该数据集来自用 50 μM ABA 处理的 5 周龄拟南芥（Arabidopsis thaliana）和对照组样本。接着，对原始测序数据进行质量分析、过滤及标准化处理，并校正批次效应。之后，通过计算相对转录波动（Relative Transcriptional Fluctuation，RTF）分数预选与关键转变相关的基因，构建共表达网络并应用动态网络生物标志物（Dynamic Network Biomarker，DNB）算法，识别关键转变状态（Critical Transition States，CTS）候选基因。此外，还进行了差异表达分析、基因本体（Gene Ontology，GO）和 KEGG 通路富集分析，以及蛋白质 - 蛋白质网络分析等，从多个层面深入探究相关基因的功能和调控关系。
模块临界指数（MCI）检测生长 - 防御转变的临界点
植物从生长到防御的转变是非线性的，且伴随着显著的分子波动。研究人员使用模块临界指数（MCI）来检测这一关键转变状态。MCI 通过综合考虑基因模块内的标准差（SDm）、模块内基因间的平均绝对皮尔逊相关性（IMC）以及模块与外部模块间的平均绝对皮尔逊相关性（EMC），来评估生物系统的不稳定性。高 MCI 值意味着系统接近临界点。与传统的差异表达分析相比，MCI 基于动态网络分析，能更全面地捕捉生物转变中的早期预警信号，为研究植物生长 - 防御权衡的关键调控模块提供了更有力的工具。
脱落酸（ABA）诱导植物防御的动态网络分析
动态网络生物标志物（DNB）分析是研究植物对环境刺激反应中关键转变信号的有力手段。研究人员对 ABA 处理和对照样本的时间序列 RNA-seq 数据进行标准化处理，构建基因表达矩阵。通过计算皮尔逊相关系数和层次聚类，划分出高度相关的基因模块。接着，计算各模块在所有时间点的临界指数（Criticality Index，CI）分数，CI 分数轨迹的峰值对应的时间点，即表示 ABA 诱导转变的临界点。在该临界点，确定了由动态波动最明显的基因组成的 DNB 模块。随后，利用 STRING 数据库的蛋白质 - 蛋白质相互作用（Protein-Protein Interaction，PPI）数据构建背景网络，并与差异表达基因（Differentially Expressed Genes，DEGs）整合，构建出核心防御网络，从而揭示了控制 ABA 诱导生长 - 防御转变的关键分子调节因子。
动态网络生物标志物揭示脱落酸（ABA）诱导植物防御的临界点
通过对拟南芥经 ABA 处理后的时间序列 RNA-seq 数据集进行分析，研究发现 DNB 模块的 CI 值在不同时间点波动，在处理后 6 小时出现显著峰值（CI 分数：3.1），这表明此时发生了 ABA 诱导防御激活的关键转变，植物的基因调控网络开始全面重组，从稳定的生长状态转变为防御主导状态。进一步分析发现，在临界点处，DNB 基因的标准差急剧增加，模块内相关性显著增强，而模块间相关性减弱，这意味着 DNB 模块与更广泛的转录组网络发生了解耦，体现了系统正在进行关键重组。同时，经过 bootstrap 分析验证，该临界点特征并非随机变化，而是具有生物学意义的真实转变，证明了 DNB 框架在检测 ABA 介导的防御反应关键转变中的可靠性。
DNB 基因作为植物应对 ABA 处理防御反应的关键调节因子
研究确定了一个包含 703 个关键基因的 DNB 模块，这些基因在植物生长 - 防御转变中起着至关重要的调节作用。功能注释显示，它们参与了免疫反应、增强植物对 ABA 诱导胁迫的抵抗能力。例如，NIM1-interacting 1 参与水杨酸介导的防御信号传导，C2 calcium/lipid-binding 和 GRAMME domain-containing protein 是 ABA 诱导钙信号的关键成分。对 DNB 基因在关键转变点（ABA 处理后 5 - 6 小时）的差异表达分析发现，上调基因包括许多转录因子（Transcription Factors，TFs），如 WRKY、MYB 等，它们在 ABA 信号传导和应激反应中发挥重要作用；下调基因则包括一些 ABA 响应调节因子，如 thaumatin 超家族蛋白、锌指转录因子等，这些基因的表达变化共同协调了植物防御反应中的资源分配和代谢调整。
脱落酸（ABA）诱导防御的转录主调节因子
转录因子（TFs）是基因表达的重要调节者，在 ABA 诱导的防御反应中，它们通过调节下游基因网络来协调植物的应激反应。研究发现，在 230 个上调基因中，有 25 个编码转录因子，涉及多个家族，如 NF-YA、HSF、MYB、WRKY 等，这些转录因子可能是 ABA 诱导防御反应的关键调节者，在提高植物的胁迫耐受性、激活免疫系统和调节气孔功能等方面发挥作用。在 473 个下调基因中，有 59 个编码转录因子，如 AP2/ERF-ERF、bHLH、MYB 等，它们的下调反映了植物在防御优先化过程中，对乙烯介导的反应、细胞壁结构和次生代谢等方面的调整策略。
DNB 基因在应对 ABA 处理中的功能分析
对在 ABA 处理下拟南芥关键转变点识别出的 DNB 基因进行基因本体（GO）术语富集分析。在生物过程（Biological Process，BP）类别中，“防御反应”“应激反应”“对水杨酸的反应” 等 GO 术语显著富集，表明 DNB 基因在激活植物防御和适应胁迫中发挥重要作用。在分子功能（Molecular Function，MF）类别中，“腺苷核糖核苷酸结合”“嘌呤核苷酸结合”“激酶活性” 等术语富集，暗示这些基因参与能量转移、信号传导和激酶介导的信号通路。在细胞组成（Cellular Component，CC）类别中，“质膜”“细胞外周”“膜内在成分” 等术语富集，凸显了膜结合受体和转运蛋白在 ABA 介导的信号传导中的关键作用。KEGG 通路富集分析发现，“植物 - 病原体相互作用”“次生代谢物的生物合成” 等通路显著富集，进一步证实了 DNB 基因在激活免疫系统和调节应激代谢重编程中的功能。
研究表明，ABA 在调节植物生长 - 防御平衡中起着核心作用，通过抑制生长相关信号通路并激活防御机制，使植物适应环境胁迫。研究人员利用改进的动态网络生物标志物（DNB）方法，成功识别出拟南芥在 ABA 诱导防御激活过程中的关键转变信号（CTS），确定了转变的临界点为处理后 6 小时，并鉴定出多个参与这一过程的关键基因和转录因子，如 WRKY、MYB 家族成员等。这些基因和转录因子在调节应激感知、免疫激活和代谢重编程等信号转导途径中发挥重要作用。此外，研究还揭示了 ABA 与生物钟、离子运输、氧化还原平衡、解毒过程以及与其他激素（如生长素）信号相互作用在植物适应胁迫中的重要机制。该研究为深入理解 ABA 介导的植物应激反应分子机制提供了重要依据，所识别的关键调控节点为提高作物抗逆性提供了潜在的分子靶点，对农业生产中增强作物对环境胁迫的适应能力具有重要的理论指导意义 。
