非生物胁迫下植物转录组学的研究进展

Advances in Plant Transcriptomics under Abiotic Stress

摘要: 植物由于其固着性，在其生长过程中面临着多种逆境胁迫，如光、热、重金属等非生物胁迫。为了应对这些压力，植物已经发展出了复杂的机制来避免或抵抗非生物胁迫。由于分子生物学技术的进步，转录组学已成为一门应用广泛的学科，转录组学可以揭示植物在非生物胁迫条件下的整个基因组表达，这有助于了解植物中与胁迫适应和耐受性相关的复杂调控网络。本文综述了植物响应非生物胁迫过程中转录组学研究的最新进展。

Abstract: Due to its sessile nature, plants face a variety of adversity stresses during their growth, such as light, heat, heavy metals and other abiotic stresses. In response to these stresses, plants have developed complex mechanisms to avoid or resist abiotic stresses. With the development of molecular biology technology, transcriptomics has become a widely used discipline. Under abiotic stress conditions, transcriptomics can reveal the expression of plants at the whole genome level from the whole transcript level, which is helpful for understanding plant Complex regulatory networks associated with stress adaptation and tolerance. This article reviews recent advances in transcriptomic studies in plant responses to abiotic stresses.

1. 引言

植物的生长和发育依赖于环境，而环境是多变的，植物在整个生命周期中都面临着生长环境中非生物胁迫挑战 [1] 。非生物胁迫是指任何限制植物生长、发育和生产力的环境因素，如光、热、重金属等 [2] ，植物必须响应和适应非生物胁迫才能在各种环境条件下生存，在这一过程中植物发展出了复杂的胁迫耐受机制，这些机制涉及不同的生理生化变化过程，导致植物发生适应性变化或形态变化 [3] 。由于全球环境的恶化，植物非生物胁迫已成为制约现代农业发展的重要因素，对植物非生物胁迫响应机制的研究也日益增多。

随着高通量测序技术的发展，转录组学成为目前研究和应用广泛的学科，转录组分析正在逐渐提升我们对基于RNA的基因调控网络的理解。转录组是在特定发育阶段和特定生理条件下特定细胞类型或组织的一整套RNA转录本，是从整体水平对细胞内基因转录及调控规律的研究。转录组学中关于差异表达基因(DEGs)的研究是通过比较不同组织和条件下的基因表达谱来确定哪些基因在响应非生物胁迫中起主要作用 [4] ，为植物适应环境胁迫的分子反应的深入研究提供了基础 [5] [6] 。为了提高植物的抗性和生产力，研究的重点已逐渐转向了解植物与环境相互作用的关键分子目标与调控因子 [7] [8] ，因为这将进一步帮助植物家通过基因方式改善或改造植物抗逆境能力，以更好地应对非生物胁迫 [9] 。

2. 非生物胁迫下转录组学的研究

2.1. 光胁迫

影响植物生长发育的关键环境因素之一是光照。光照强度超过植物适应范围会加速反应、细胞损伤并最终导致植物死亡。植物适应强光的一个特征是类黄酮生物合成途径的快速转录激活，导致光保护和抗氧化类黄酮，如花青素，在叶组织中积累 [10] ，花青素通过吸收蓝绿色光和强紫外线来保护细胞免受光抑制和损伤 [11] 。通过分析花青素生物合成基因的表达谱 [12] 发现，花青素生物合成可分为三个阶段：苯丙素途径、类黄酮途径和花青素特异性途径 [13] 。对强光胁迫下的拟南芥转录数据分析发现，有6个DGEs对应转录表达了PAL1、C4H和4CL蛋白，这些蛋白参与了花青素合成途径的起始步骤，另外有三种MYB转录因子基因(MYB11、MYB12和MYB111)在所有强光下均上调 [14] 。MYB、碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)和WD40是参与类黄酮生物合成调控的重要转录因子。MYB-bHLH-WD40 (MBW)转录复合物激活类黄酮生物合成的下游基因，介导原花青素和花青素等各种产物的产生 [15] 。MYB-bHLH-WD40复合物在调节花青素中发挥着核心作用，植物对光胁迫的响应主要通过激活或失活该复合物的活性来调节花青素 [16] ，从而保护细胞免受光抑制和光损伤。Ye [17] 等对不同光照条件下茶树的转录组数据分析发现有40个转录因子与类黄酮代谢产物相关，包括23个MYB、14个bHLH和3个WD40。当暴露于较高的光照强度时，在菊花 [18] 、荔枝果皮 [19] 和桃 [20] 的转录组数据分析中也发现bHLH基因显著上调。关于光胁迫下不同植物中关于花青素合成调控转录因子的统计见表1。Zhang等人通过比较在弱光和强光照下的红叶莴苣的转录组数据，鉴定出5个MYB和1个bHLH基因 [21] 。显然植物积极调节着花青素合成途径相关转录因子的转录以响应光胁迫。

Table 1. Statistics of transcription factors regulating anthocyanin biosynthesis in different plants under light stress

表1. 光胁迫下不同植物中关于花青素合成调控转录因子的统计

2.2. 热胁迫

气体排放和人类活动大大增加了温室气体的积累，全球变暖正成为植物学家最关心的问题之一。温室气体将逐渐使全球环境温度升高 [2] ，使植物遭受广泛的热胁迫，严重影响植物的生存、生长和分布。温度是维持细胞代谢的重要因素之一，Wahid等人 [25] 将热胁迫定义为温度上升超过一定水平一段时间，对植物造成不可弥补的损害，热可以扰乱细胞内稳态，最终导致植物生长迟缓甚至死亡。本节综述的是关于利用转录组学揭示热休克蛋白(HSP)功能的分子细节和热休克转录因子(HSF)调控网络的复杂性的最新研究。热休克蛋白在各种生物体中是一个高度保守的家族 [25] ，热激蛋白的类型、亚细胞定位及主要生物学功能见表2。相关研究发现，水稻 [26] 、玉米 [27] 、番茄 [28] 、棉花 [29] 等在热应激条件下均会HSP的合成。植物获得抗热能力的一个重要特点就是在植物体内大量生产HSP。对高温胁迫下马铃薯中的转录水平分析表明，7个HSP90的基因与温度胁迫有关，尤其是StHsp90.2和StHsp90.4，在叶片、茎和根中的表达水平显著上调 [30] 。HSP70家族是蛋白质稳态网络的中心枢纽，其可以通过分子伴侣的形式防止新产生的蛋白质的错误聚集，并利用ATP水解的能量来溶解、转移和调节蛋白质的适当重折叠及去折叠,使植物细胞避免在胁迫条件下受到伤害，对提高植物在逆境下的抵抗能力具有极其重要的作用 [31] 。Ahsan等研究了处于42℃热应激下水稻叶片HSP的基因表达谱，发现在极短的时间内HSP70就会被快速的诱导并大量表达 [32] 。大多数HSP60家族蛋白是热诱导的，也是在热应激条件下防止蛋白质聚集和介导线粒体折叠和重折叠必不可少的 [33] 。Tominaga等的转录组研究证明了温度显著影响孔石菇中UpHSP60基因的表达 [34] 。植物体内的sHSPs在常温下不表达，但在热激条件下会迅速合成，对维持植物细胞蛋白质的稳定性和生物膜结构具有重要作用 [35] 。羊毛铁线莲和厚叶铁线莲热应激反应的比较转录组分析发现DEGs主要集中在sHSPs中，包括HSP17、HSP17.8、HSP18.1、HSP20和HSP26.5 [36] 。目前的研究已知有四种途径，包括热休克转录因子–热休克蛋白(Hsf-Hsp)途径、钙离子–钙调蛋白(Ca²⁺-CaM)途径、活性氧途径和激素途径来调节热应激 [37] [38] 。在本节主要综述植物(Hsf-Hsp)途径对热胁迫的响应，如图1所示，热信号被质膜感知，然后将热信号迅速传递给HSFA1，作为调节下游热应激响应基因的主体，提高热胁迫下植物的耐热性 [39] 。在热休克转录因子(HSFs)的控制下，热休克蛋白(HSPs)的积累被认为在植物的热应激反应(HSR)和获得性耐热性中发挥着核心作用。例如在拟南芥 [40] 、百合 [41] 、

Table 2. Types, subcellular localization and main biological functions of heat shock protein

表2. 热激蛋白的类型、亚细胞定位及主要生物学功能

Figure 1. Schematic representation of HSFs-and HSPs-mediated heat stress response (HSR) in plants [39]

图1. 植物中HSF和HSP介导的热应激反应(HSR)的示意图 [39]

番茄 [42] 的热调节机制研究中发现，植物主要通过HSF-HSP途径来响应热胁迫。 [40] 使用RNA测序系统分析了拟南芥植物暴露于高温后的转录调控网络，确定了热休克因子A1家族蛋白(HSFA1s)是介导HS诱导的第一波基因表达的主要转录因子，帮助植物适应白天的高温。Li等人对百合幼苗 [41] 进行不同时间长度的热处理，RNA-seq测序发现在0.5 h~1 h和1 h~3 h的热处理期间，HSF-HSP通路DEGs被显著且高度诱导。Giorno等人对番茄 [42] 的花药和花粉发育阶段进行转录分析，结果表明HsfA2可能直接参与热胁迫期间番茄花药中保护机制的激活，从而可能有助于番茄在不利温度下的坐果。

2.3. 重金属胁迫

由于施肥、工业废物处理不当、污水处理不规范 [43] 等，导致Mn、Cu、Ni、Co、Cd、Fe、Zn和Hg等重金属在土壤中积累。有研究认为，重金属胁迫干扰了必需金属离子与生物分子的取代反应，破坏膜的完整性，导致光合能力、呼吸等的变化 [44] ，常见的症状有植物生长减缓、光合作用受阻、水分平衡被扰乱、生物量积累减少，引发衰老和褪绿 [45] 。重金属胁迫还通过刺激过氧化氢、超氧化自由基和羟基自由基的产生来诱导氧化应激 [46] 。为了避免或耐受重金属的毒性，植物已经发展出复杂的防御机制，包括重金属在细胞器中的吸收和积累，通过与有机螯合物形成复合物进行固定，通过使用大量转运蛋白、离子通道、信号级联和转录元件进行提取等 [47] 。本节综述了植物对这些应激源的反应和适应策略中关于转运蛋白的最新进展。转运蛋白主要有助于金属的摄取、转运和再分配。转录组学技术被广泛应用于研究拟南芥属 [48] [49] [50] 和景天属植物 [51] 的基因表达谱，这些物种的特征是高度可变的金属超耐受性和超积累性。转录组学研究表明，在金属超积累植物根的高度表达的基因中，有一些属于ZRT/IRT样蛋白(ZIP)转运蛋白基因家族 [52] [53] [54] ，这些转运蛋白在超积累植物的根中吸收和转运重金属。另一个被提及较多的是铁调节转运蛋白基因(IRT1)，在拟南芥属根的镉吸收中发挥作用 [55] 。另一个在镉/锌金属转运、动员和分配中发挥作用的基因是寡聚肽转运子3 (OPT3) [56] ，转录组数据显示，与非超积累植物相比，其在金属超积累植物如欧洲拟南芥的根中的表达高得多。在重金属胁迫条件下分析不同的植物转录组时，已经观察到保守的趋势，转运蛋白的参与受到了研究者的广泛关注，关于不同植物中转运蛋白的统计见表3。利用转录组学研究金属转运蛋白有助于筛选和生产耐金属胁迫的作物，而不会影响其生产力，可以减缓农业逐渐增加的压力。

Table 3. Statistics of transporters in different plants under heavy metal stress

表3. 重金属胁迫下不同植物中关于转运蛋白的统计

3. 展望

如上所述，过去几十年来，转录组分析技术被广泛应用于了解植物基因水平上的胁迫耐受机制。对植物应对非生物胁迫基因功能的重点研究所产生的信息将成为一波新的战略跳板，以改善和提升重要植物抵抗非生物胁迫的能力。转录组技术可以快速预测相关的胁迫防御因子，揭示植物的代谢途径、信号转导与防御反应之间的关系，对研究和了解植物的抗逆性机制具有重要意义。但是，植物对非生物胁迫的反应是通过一系列复杂的细胞、分子和生理过程，它们的代谢网络是复杂的。虽然已经逐渐阐明了其中一些分子机制，但对植物抗胁迫的认识仍然有限，这些通路的协同作用或其他关联需要进一步研究。