近日，中国科学院华南植物园刘勋成和刘楠研究团队在植物学领域知名期刊《Plant Journal》上发表了题为“Multi-omics analyses provide insights into the molecular basis for salt tolerance of Phyla nodiflora”的论文。该研究综合利用基因组、转录组和全蛋白乙酰化组学等分析技术，结合基因与蛋白质修饰功能验证等方法，全面的解析了热带珊瑚岛植被构建工具种过江藤耐受高盐环境的分子机制。研究结果为通过分子手段筛选和培育耐盐海岛植物提供了重要的候选基因和蛋白位点，对于推进热带珊瑚岛植被生态系统的建设具有重要的科学意义和应用价值。
01研究背景
过江藤，一种多年生马鞭草科草质藤本植物，广泛分布于热带和亚热带滨海地区，具有显著的耐盐和耐贫瘠砂质土壤的特点。同时，过江藤覆盖能力强，具有较强的抗病性和适应性，在热带珊瑚岛的高温、高光、高盐等恶劣环境下不易枯死和退化。此外，过江藤具有较强的抗外来入侵的能力，在种植区域内有害植物也显著减少。基于以上优点，近年来过江藤被广泛用于热带珊瑚岛植被构建。然而，过江藤耐受极端环境胁迫如盐胁迫的分子机制尚未被揭示。
02研究内容
采用二代测序技术（DNBSEQ测序方法）和三代测序技术（Nanopore测序方法），并结合染色体构象捕获技术（Hi-C），组装得到了过江藤染色体级别的基因组。组装得到的基因组长度为403.07 Mb，其中95.35%的序列被锚定到了18条染色体上（图1）。基因组进化分析发现，过江藤经历了两次全基因组复制事件，其中与环境适应性有关基因及次级代谢产物合成有关基因在过江藤长期进化过程中得到了明显的扩张。基于高质量的基因组测序结果，对盐胁迫处理后不同时间点的过江藤进行转录组分析发现，与激素合成和信号转导以及离子转运有关基因的扩张和高表达在过江藤耐盐过程中发挥重要作用（图2）。其中，编码玉米黄质环氧化酶（植物类胡萝卜素代谢与脱落酸（ABA）生物合成的关键酶）的ZEP基因家族发生了显著的扩张（8倍于模式植物拟南芥），且在盐胁迫后表达量显著提升。这一发现与盐胁迫后过江藤较长时期内保持高浓度的ABA水平密切相关。遗传和生化分析显示，过量表达代表性的ZEP基因可促进植物体内ABA的生物合成，同时提高植物的耐盐性（图3）。
基于基因组数据，研究团队进一步对盐胁迫后的过江藤进行蛋白组和赖氨酸乙酰化修饰组学分析。研究发现盐胁迫导致大量参与信号转导、碳水化合物运输和代谢以及转录调控有关的基因发生明显去乙酰化变化，包括生长素合成有关基因（INS 和 AO1），油菜素内酯合成有关基因（ROT3），ABA合成和信号转导有关基因（ZEP3，SOAR1 和 CAR1）以及转录因子（MYB36和MYB111）等（图4）。乙酰化修饰功能分析发现，在氧化应激过程中发挥关键作用的谷胱甘肽转移酶GST的第250位赖氨酸残基（K250）在盐胁迫后发生了明显的去乙酰化变化。研究进一步证实K250位点的去乙酰化显著提高了GST蛋白的抗氧化相关酶活性，通过减少植物体内活性氧的积累，从而增强了植物对盐胁迫的耐受性（图5）。
03作者简介
中国科学院华南植物园博士后王丽媛为本文第一作者，刘勋成和刘楠研究员为共同通讯作者。华南植物园简曙光研究员、助理研究员郑枫、博士生周雨珩也参与了本项目的研究。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目和广州市科技项目的资助。
图1 过江藤的基因组组装与注释
图2 过江藤盐胁迫响应基因的筛选
图3 过江藤ZEP基因家族分析及ZEP3在盐胁迫响应中的作用
图4 盐胁迫显著降低了过江藤体内蛋白的乙酰化水平
图5 过江藤GST去乙酰化修饰在转基因拟南芥中的盐敏感性分析
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