鹽脅迫條件下花生應答轉錄因子鑒定與分析

秦圣豪 韓燕 崔鳳 劉譯陽 萬書波 李國衛

摘要：轉錄因子是一類具有特殊結構、調控基因表達的蛋白質分子。為了解析轉錄因子在花生適應鹽脅迫環境中的分子機制，本研究以魯花14號為材料，通過RNA-seq分析花生轉錄因子在鹽脅迫以及恢復后的表達差異。結果表明，在250 mmol/L NaCl處理4 d后，花生中共檢測到76個差異表達的轉錄因子，分別屬于13個轉錄因子家族。其中，根中35個轉錄因子上調表達，29個下調表達；地上部40個上調表達，17個下調表達。鹽脅迫解除后，有35個轉錄因子不但沒有恢復到鹽處理前的水平，反而表達量進一步增加。本試驗為進一步研究花生轉錄因子家族在鹽脅迫中的作用和提高花生的耐鹽性奠定理論基礎。

關鍵詞：花生；轉錄因子；鹽脅迫；恢復；RNA-seq

中圖分類號：S565.2：Q7文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）06-0041-05

Abstract Transcription factors are a class of protein molecules that have special structures and regulate gene expression. Peanut variety Luhua 14 was used as the material to analyze the molecular mechanism of transcription factors responding to salt stress in peanut through RNA-seq. The results showed that after 4 days of treatment with 250 mmol/L NaCl， 76 differentially expressed transcription factors were detected in peanut， belonging to 13 transcription factor families. After salt treatment， 35 transcription factors were up-regulated and 29 were down-regulated in roots； 40 were up-regulated and 17 were down-regulated in shoots. After recovery， 35 transcription factors did not return to the pre-salt level， in contrast， the expression levels increased. This study lays a theoretical foundation for the further study of the role of peanut transcription factor family in salt stress and the improvement of salt tolerance of peanut.

Keywords Peanut；Transcription factor；Salt stress；Recovery；RNA-seq

鹽脅迫是自然界中主要的非生物脅迫之一，是直接影響農作物生產穩定的主要限制因素[1]。鹽脅迫不但會破壞細胞膜的完整性，改變膜的滲透性，同時還會在細胞內外形成較強的滲透壓力差，使植物吸收水分困難，致使細胞發生水分虧缺[2]。鹽脅迫影響植物生長發育、光合作用及呼吸作用等重要的代謝過程，且對植物體內離子含量、酶活性、激素水平等均有影響。為了適應環境變化，植物形成了一系列防御機制以抵御逆境傷害[3]。其中，植物抗逆基因的轉錄調控對植物抵御逆境脅迫發揮著重要的調節作用。轉錄調控主要通過特定的轉錄因子與目標基因啟動子區域的順式元件相互作用來實現[3]。目前發現在鹽脅迫條件下能夠誘導表達的轉錄因子主要包括：禽成髓細胞瘤病毒致癌基因同源物類（v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog， MYB）、堿性域亮氨酸拉鏈 （basicdomain leucine-zipper， bZIP）、乙烯應答元件組合蛋白/因子（APELATA2 /ethylene-responsive element binding proteins/factors， AP2/EREBP）、鋅指型調控因子（Zinc finger regulator， WRKY）和蛋白N端含有一個新的保守序列的基因（NAC）等[4]。

花生是我國重要的油料和經濟作物之一[5，6]。目前，我國食用植物油自給率不足，對花生的需求逐年增大，而耕地面積的不斷下降，導致糧油爭地矛盾日益突出。因此開展花生耐鹽性研究，培育適應鹽堿地種植的花生品種，是提高花生產量，避免糧油爭地，增加油脂供給的有效手段。

本研究以鹽脅迫處理前后的花生品種魯花14號的根和地上部分為材料，利用轉錄組測序技術（RNA-seq），鑒定并分析花生響應鹽脅迫的轉錄因子及表達特性，為更深入的了解花生對鹽脅迫響應的分子機制，進一步發掘轉錄因子家族成員的相關功能、鑒定和克隆其重要的耐鹽基因，提高花生的耐鹽性奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以花生品種魯花14號為材料，在沙土中萌發7 d后將幼苗移栽到裝有2 L Hoagland 營養液的水培盆中，恒溫28℃，光照/黑暗：16 h/8 h，相對濕度50%，每周定期更換營養液。

1.2 試驗方法

1.2.1 鹽脅迫處理 參考Cui等[5]的處理方法，選取18 d大小且生長一致的幼苗進行處理，分成 3 組，其中一組正常培養作為對照（CK），一組250 mmol/L NaCl 處理4 d（N4），一組在鹽處理4 d后轉移至正常Hoagland 營養液中繼續培養3 d進行恢復（R3），每組設置3次重復。收集花生地上部和根，立即放入液氮中冷凍，-80℃保存。

1.2.2 RNA的提取與檢測 將冷凍樣品在液氮中研磨，利用植物總RNA提取試劑盒（天根）提取總RNA，具體步驟參照試劑盒說明。通過瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA的完整性，檢測合格后送至深圳華大基因科技有限公司進一步確認質量后，進行高通量測序。

1.2.3 Illumina測序 參考Cui等[5]所述的方法，使用Illumina HiSeqTM 2000 測序儀對上述構建的CK、N4及R3轉錄組 cDNA 文庫進行深度測序與組裝。

1.2.4 差異基因鑒定與分析 為鑒定花生中響應鹽脅迫及恢復后的差異表達基因（DEGs，differentially expressed genes），將測序數據進行RNA-seq分析，使用RPKM （reads per kilo bases per million reads）法計算基因表達量，根據基因表達量（RPKM值）計算其在處理與對照中的差異表達倍數。將差異表達倍數≥2.0、可靠性≥0.8的基因認定為差異表達基因。轉錄組及RNA-Seq分析的原始數據上傳至NCBI的SRA （Sequence Read Archive） 數據庫（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/），Bioproject的編號為PRJNA398720。

1.2.5 熒光定量RT-PCR 以分別提取的CK、N4和R3樣品的RNA 為材料，使用TaKaRa 公司的PrimeScript RT reagent Kit With cDNA Eraser試劑盒反轉

錄合成cDNA。利用qRT-PCR 驗證RNA-seq數據準確性。PCR反應程序及內參參考Cui等[5]所述方法，引物名稱及序列見表1。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫及恢復對花生幼苗的影響

由圖1可以看出，N4與CK相比，花生幼苗的生長受到顯著抑制，葉片變黃，植株失水，萎蔫嚴重，受害表現明顯（圖1B）；而將鹽處理的幼苗轉入Hoagland 營養液中，花生幼苗的生長并未恢復至正常水平，甚至出現了比鹽脅迫更為嚴重的表型（圖1C）。

2.2 轉錄組測序準確性驗證

為了驗證測序差異表達基因數據的可靠性，從數據中隨機挑選8個差異表達基因，其中N4中2個上調基因Unigene20928 和CL9331.contig1，2個下調基因Unigene21721和Unigene6241；R3中2個上調基因Unigene16871 和CL9331.contig1，2個下調基因Unigene25029和CL4897.contig2。以花生地上部基因CL11012.Contig1和Unigene817以及根中基因Unigene14502和Unigene20560作為鹽脅迫和恢復條件的參考基因，進行qRT-PCR驗證。結果表明，雖然8個基因在鹽脅迫和恢復后的表達程度與測序結果稍有不同（圖2、3），但脅迫誘導表達的變化趨勢基本一致，說明Illumina測序獲得的轉錄組數據可靠性較高。

2.3 花生鹽脅迫下應答轉錄因子分析

將CK及N4中根及地上部的差異表達基因進行比較分析，共檢測到76個轉錄因子差異表達，分別隸屬于13個轉錄因子家族。由表2可以看出，根中上調表達35個，下調表達29個，其中NAC轉錄因子家族上調數量最多，共11個；bHLH轉錄因子家族下調數量最多，共13個，地上部上調表達40個，下調表達17個。其中NAC轉錄因子家族上調數量最多，共11個；bHLH轉錄因子家族下調數量最多，共6個。這表明NAC和bHLH轉錄因子家族在花生鹽脅迫響應中起到重要作用。

2.4 花生響應鹽脅迫的重要轉錄因子

根據BLASTP結果對DEGs進行功能注釋，我們發現多個鹽脅迫標志性轉錄因子基因顯著上調或下調表達（表3）。上調的基因如乙烯響應因子AhAP2（Unigene13934，Unigene13933）和AhERF（CL9645.Contig2），GRAS轉錄因子AhGRAS（CL6657.Contig1，CL6657.Contig1），GRF轉錄因子AhGRF（Unigene29805，Unigene29805），MYB轉錄因子AhMYB（Unigene14467），NAC轉錄因子AhNAC（CL8911.Contig2，Unigene11981），Trihelix轉錄因子AhTrihelix（CL3296.Contig2），WRKY轉錄因子AhWRKY（Unigene11819，CL6093.Contig1），bHLH轉錄因子AhbHLH（CL6900.Contig3）等。下調的基因如Dof轉錄因子AhDof（CL7219.Contig4），ERF轉錄因子AhERF（Unigene13426），MYB轉錄因子AhMYB（Unigene28340），MYB-related轉錄因子AhMYB-related（CL9393.Contig1，CL9393.Contig1），TCP轉錄因子AhTCP（CL10482.Contig1，CL10482.Contig1），bHLH轉錄因子AhbHLH（Unigene446， Unigene9521）及bZIP轉錄因子AhbZIP（Unigene26095，Unigene26095）。

2.5 鹽脅迫解除后花生轉錄因子表達分析

為進一步研究鹽脅迫恢復3 d后，花生幼苗的生長仍然受到抑制的原因，我們篩選了R3的差異基因，查找出花生中仍有差異表達（未恢復）的轉錄因子。由表4可以看出，根中未恢復的轉錄因子13個，地上部未恢復的轉錄因子22個。其中根中ERF和MYB未恢復的數量最多，共6個；地上部MYB和NAC未恢復的數量最多，共10個。上述轉錄因子可能是花生幼苗的生長并未恢復至正常水平，甚至出現了比鹽處理更為嚴重表型的原因。

3 討論與結論

在干旱或者鹽堿等逆境脅迫下，植物能夠通過改變基因的表達，調控不同代謝和信號的轉導途徑，在轉錄和翻譯等不同水平上做出響應，而轉錄因子可在逆境脅迫下激活或抑制下游基因的轉錄表達。目前已經證實bZIP、WRKY、AP2/EREBP、C2H2、bHLH、MYB和NAC等轉錄因子家族的成員參與了植物對鹽脅迫的應答反應[8]。本研究結果表明，花生在250 mmol/L NaCl處理后，共檢測到隸屬于13個轉錄因子家族的76個轉錄因子有差異表達。其中無論在根或地上部，NAC轉錄因子家族上調數量最多，而bHLH轉錄因子家族下調數量最多。推測NAC轉錄因子家族可能在花生鹽脅迫條件下起到正向調節作用。在12個NAC家族轉錄因子成員中，Unigene11981、Unigene21164、CL8911.Contig2 上調10倍以上，這可能是花生參與鹽脅迫應答的重要調節因子。在18個參與花生響應鹽脅迫應答過程的bHLH轉錄因子中，3個表達上調，其中CL6900.Contig3上調50倍以上；13個表達下調，其中Unigene9521 和Unigene446 下調60倍以上，這暗示著bHLH轉錄因子可能在花生鹽脅迫應答中主要起負向調節的作用。另外，在植物特有的WRKY轉錄因子家族中，有8個WRKY轉錄因子參與花生的鹽脅迫應答過程，且都表達上調，這表明WRKY轉錄因子在花生鹽脅迫響應中起到正向調節的作用。

為進一步研究R3處理后，花生幼苗的生長仍然受到抑制的原因，發現在R3條件下35個轉錄因子不但沒有恢復到鹽處理前的水平，反而表達量進一步增加。其中，ERF、MYB、NAC基因家族中未恢復的轉錄因子最多。推測ERF、MYB和NAC轉錄因子在花生恢復處理后仍過量表達，導致植物產生額外的應激損害了細胞的穩定性。

本研究通過測序數據分析，初步推斷出差異表達轉錄因子在花生鹽脅迫和恢復中的作用，下一步需要進行更多的試驗來深入分析其在花生耐鹽中的作用機理。例如，鹽脅迫強烈誘導MYB轉錄因子Unigene28340的表達，差異倍數達到700以上。本試驗提供了花生鹽脅迫響應轉錄因子候選基因，為轉錄因子參與植物鹽脅迫和恢復的機理研究奠定基礎。

參 考 文 獻：

[1] 郭金艷. 耐鹽性不同的棉花根系轉錄組比較分析及耐鹽基因挖掘[D]. 北京：中國農業大學， 2016.

[2] 豆明珠. 通過外源MYB基因的表達提高水稻的抗逆性[D].濟南：山東師范大學， 2017.

[3] 蔡曉鋒， 胡體旭， 葉杰，等. 植物鹽脅迫抗性的分子機制研究進展[J]. 華中農業大學學報， 2015， 34（3）：134-141.

[4] 陳儒鋼， 鞏振輝， 逯明輝，等. 植物抗逆反應中的轉錄因子網絡研究進展[J]. 農業生物技術學報， 2010， 18（1）：126-134.

[5] Cui F， Sui N， Duan G， et al. Identification of metabolites and transcripts involved in salt stress and recovery in peanut[J]. Frontiers in Plant Science， 2018， 9：217.

[6] 武曉亮. 花生ABA途徑抗逆基因AhLOS5克隆與抗逆性研究[D]. 泰安：山東農業大學， 2017.

[7] 裴翠明， 張振亞， 馬進. 南方型紫花苜蓿葉片鹽脅迫應答轉錄因子鑒定與分析[J]. 浙江農業學報， 2016， 28（4）：550-557.

[8] 左照江， 張汝民， 高巖. 鹽脅迫下植物細胞離子流變化的研究進展[J]. 浙江農林大學學報，2014，31（5）：805-811.