代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示細(xì)胞分裂素信號突變體在鹽脅迫中的響應(yīng)機(jī)制

在擬南芥中，細(xì)胞分裂素（CK）信號主要由組氨酸激酶(AHKs)，組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白(AHPs)和應(yīng)答調(diào)節(jié)因子(ARRs)介導(dǎo)。擬南芥組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移ahp2,3,5和B 型擬南芥反應(yīng)調(diào)節(jié)因子arr1,10,12 三重突變體幾乎完全缺失CK信號，且ahp2,3,5突變體被報道為耐鹽突變體。越來越多的證據(jù)表明 CK 代謝和 CK 信號傳導(dǎo)與植株適應(yīng)各種非生物脅迫（包括鹽度）之間的關(guān)系，但參與該過程的下游代謝變化仍有待闡明。

2021年11月，德克薩斯理工大學(xué)科研團(tuán)隊在PNAS（IF 11.205）雜志上發(fā)表題目為“Defective cytokinin signaling reprograms lipid and flavonoid gene-to-metabolite networks to mitigate high salinity in Arabidopsis”的研究成果，在非鹽和鹽脅迫條件下，對擬南芥野生型（WT）和兩個CK信號三重突變體ahp2,3,5、arr1,10,12植株進(jìn)行了全面的代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，揭示了鹽脅迫下CK信號介導(dǎo)的遺傳代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機(jī)制，為CK生物學(xué)在植株耐鹽生物技術(shù)中的有效應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

研究材料
擬南芥植株

技術(shù)路線
· 步驟1：ahp2,3,5和arr1,10,12突變體表現(xiàn)出增強(qiáng)的耐鹽性；
· 步驟2：WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株在非鹽和鹽脅迫條件下的綜合代謝物分析；
· 步驟3：WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應(yīng)鹽脅迫的綜合轉(zhuǎn)錄組分析；
· 步驟4：WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應(yīng)鹽脅迫的GO和 KEGG 富集分析以及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

研究結(jié)果
1. ahp2,3,5和arr1,10,12突變體表現(xiàn)出增強(qiáng)的耐鹽性
作者首先將擬南芥野生型（WT）和兩個CK信號三重突變體ahp2,3,5、arr1,10,12的10 天齡幼苗轉(zhuǎn)移到補(bǔ)充有 200 mM NaCl 的培養(yǎng)皿中，維持 6 天以驗證其耐鹽性。結(jié)果顯示與WT植株相比，ahp2,3,5和arr1,10,12突變體植株表現(xiàn)出較高的耐鹽性。WT 植株的存活率不到 5%，而ahp2,3,5和arr1,10,12突變體存活率則分別超過 95%、90%（圖1）。

圖1 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株的耐鹽性研究
 

2. WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株在非鹽和鹽脅迫條件下的綜合代謝物分析
10 天齡的 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株轉(zhuǎn)移到補(bǔ)充有 0 mM（非鹽脅迫）或 200 mM NaCl（鹽脅迫）的培養(yǎng)基中培養(yǎng) 24 小時后，采用氣相色譜質(zhì)譜儀(GC-TOF-MS)和液相色譜質(zhì)譜儀 (LC-Q-TOF-MS)對每個基因型的整株幼苗進(jìn)行初級和次級代謝產(chǎn)物綜合分析。結(jié)果顯示在非鹽和鹽脅迫條件下，ahp2,3,5和arr1,10,12突變體的代謝變化相似，但與WT 植株不同。突變體與 WT 植株的比較顯示，ahp2,3,5 -C/WT-C 和arr1,10,12 -C/WT-C中分別有 85 和 66 種代謝物增加，3 和 4 種代謝物減少，而在ahp2,3,5 -S/WT-S 和arr1,10,12 -S/WT-S 比較中，分別有83 和 68 種代謝物增加，4 種和 8 種代謝物減少，表明就改變的代謝物數(shù)量而言，在鹽脅迫下，每個單獨的基因型中發(fā)生了較小的代謝變化（圖2）。

韋恩圖顯示鹽脅迫前后WT和突變體中共鑒定出83 個（80 個增加和3個減少）差異代謝物（DPMs），分為六大類：1) 糖類，2) 氨基酸和多胺，3) 脂質(zhì)和甾醇，4) 類黃酮和酚類，5) 硫代葡萄糖苷， 6) 其他一般代謝物。大多數(shù) DPMs主要富集在與“氰基氨基酸代謝”、“甘油脂代謝”、“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝”等通路上。結(jié)果顯示，與非鹽和鹽脅迫條件下的 WT 植株相比，CK 信號ahp2,3,5和arr1,10,12突變體中脂質(zhì)代謝相關(guān)和類黃酮代謝相關(guān)通路的重編程更為顯著。

圖2 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株在非鹽和鹽脅迫條件下的綜合代謝物分析

3. WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應(yīng)鹽脅迫的綜合轉(zhuǎn)錄組分析
10 天齡的 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株也在鹽脅迫后 24 小時收集，使用微陣列技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，從分子水平上評估對鹽度響應(yīng)的代謝變化。結(jié)果顯示ahp2,3,5 -C / WT-C和arr1,10,12 -C / WT-C比較中分別有857 和 567 個基因上調(diào)，1129 和 830 個基因下調(diào)；在ahp2,3,5 -S/WT-S 和arr1,10,12 -S/WT-S 比較中，分別有 594 和 674 個基因上調(diào)， 719 和 843 個基因下調(diào)。韋恩圖顯示鹽脅迫前后WT和突變體比較中有 403 個重疊的差異基因（DEG， 133 個上調(diào)和 270 個下調(diào)），這些變化可能有助于突變基因型的耐鹽性，并且通過抑制 CK 信號傳導(dǎo)進(jìn)行調(diào)節(jié)（圖3）。

圖3 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應(yīng)鹽脅迫的綜合轉(zhuǎn)錄組分析
 

4. WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應(yīng)鹽脅迫的GO和 KEGG 富集分析以及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析
將403 個DEGs 進(jìn)一步做GO和KEGG分析，并將在ahp2,3,5和arr1,10,12突變體的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集與在非鹽和鹽脅迫條件下獲得的 WT 植株的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集之間的比較中，總共確定的 1,215 個DEGs做調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析。GO、KEGG 和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果表明在非鹽和鹽脅迫條件下，相對于 WT 植株，富集的基因主要參與次級代謝（例如花青素、黃酮類化合物、萜烯和脂質(zhì)生物合成途徑）、營養(yǎng)同化（例如鐵、硫酸鹽和糖轉(zhuǎn)運(yùn)）和氧化還原酶活性，這與ahp2,3,5和arr1,10,12植株中與類黃酮、脂質(zhì)和甾醇相關(guān)的幾種代謝物的積累一致（圖3，圖4）。

圖4 調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析

小編小結(jié)
綜合代謝組和轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明，與野生型相比，CK突變體在非鹽和鹽脅迫條件下積累許多初級（例如，糖、氨基酸和脂質(zhì)）和次級（例如，類黃酮和甾醇）代謝物，表明應(yīng)激相關(guān)代謝物的積累有助于提高耐鹽性，且類黃酮和脂類庫的重編程與轉(zhuǎn)錄水平的變化高度協(xié)調(diào)。該研究有助于開發(fā)具有耐鹽能力的作物，作為確保氣候危機(jī)時代全球糧食安全的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

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