植物響應淹澇的轉錄組學研究進展

王得運 羅光明 劉培培 周麗 徐月瑩 陳云婷

（江西中醫藥大學藥學院，南昌 330004）

近年來，轉錄組學已成為后基因組時代最活躍的學科之一，其為生物基因表達研究提供了技術手段，應用范圍十分廣泛。轉錄組有廣義和狹義之分，廣義的轉錄組是指生物體細胞或組織在特定狀態下所轉錄出來的所有RNA的總和，主要包括編碼蛋白質的RNA（如mRNA）和非編碼蛋白質的RNA（如rRNA，tRNA，microRNA等）；而狹義的轉錄組通常指所有編碼蛋白質的mRNA的總和［1-2］。轉錄組概念被Velculescu等［3］最先提出，其連接了基因組與蛋白質組，具有動態性，即能反映生物個體在某一特定發育或生理階段、特定器官、組織或細胞中所有基因表達水平的數據［4］。隨著高通量測序技術的發展，基因組拼裝和注釋等生物信息學分析軟件的開發與應用，以及生物信息分析平臺的不斷增加，轉錄組研究廣泛應用于生命科學領域，為發現與特定生理功能相關的新基因、預測未知基因以及理解基因表達調控機制等提供大量的重要信息［5-6］。

淹澇是植物遭受的主要的非生物脅迫之一［7］，與干旱、高鹽和極端氣溫等非生物因子共同決定了物種的組成和分布［8］。隨著全球氣候異常，局部地區出現暴雨或長期降雨的現象，再加上自然資源的不合理利用，淹澇已成為當前所面臨的最嚴重的自然災害之一［9-10］。植物在遭受到淹澇脅迫后，體內會產生一系列的生理生化反應以維持生長和發育，這一過程涉及到許多脅迫反應基因的表達與調控。從轉錄組層面進行植物響應淹澇的研究，分析淹澇脅迫下植物整個基因組水平的表達情況，對揭示植物抗淹澇的機理以及構建逆境基因組轉錄調控網絡具有重大的意義。本研究綜述了近年來植物淹澇在轉錄組水平上的研究進展，介紹了淹澇脅迫下植物體內信號傳導、內源激素、光合作用、呼吸代謝與活性氧清除等途徑中的差異表達基因的變化，以及各種轉錄因子和功能蛋白的差異基因表達情況，從mRNA水平來揭示植物響應淹澇的機制，以期為植物淹澇研究提供參考。

1 淹澇脅迫信號傳導

淹澇脅迫使氣體擴散受限，造成植物周期或長期處于厭氧或缺氧的狀態，植物為了生存能夠迅速做出響應（包括改變基因表達與調節細胞代謝等），這說明植物體存在著高效的脅迫信號感知和轉導機制。植物一方面可直接通過結合氧或與氧發生反應的受體感知淹澇脅迫，另一反面通過細胞內pH的降低、ATP的減少以及Ca2+濃度的變化等間接感受脅迫［11-12］。Subbaiah［13］發現植物細胞胞質內Ca2+在淹澇脅迫中具有信號傳導的作用，植物在遭受到脅迫后其濃度顯著升高，進而誘導乙醇脫氫酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）基因和其他低氧反應相關基因的表達，以降低植物生命活動的氧耗。植物體內乙烯不僅作為內源激素，還可以和氧氣一樣參與植物的信號傳導。在淹澇條件下低濃度乙烯可以作為信號分子，與細胞膜上的乙烯受體（Ethylene receptor，ETR）發生三聚體反應（Constitutive triple response，CTR）并形成CTR蛋白，進而誘導Ethylene insensitive（EIN）和Ethylene insensitive like（EIL）蛋白基因的差異表達［14］，EIN/EIL蛋白再與乙烯響應因子（Ethylene response factor，ERF）基因的啟動子區域結合將特異性啟動ERF家族基因的表達［15］，ERF家族基因可特異性誘導植物體內含有GCC-box順式啟動元件（AGCCGCC element）和DRE/CRT順式啟動元件（Dehydration responsive element/C-repeat RCCGCC element）的功能基因的表達［16］。Hattori等和 Ayano 等［17-18］發現兩個 ERFVII類轉錄因子SK1和SK2在深水水稻適應水淹環境中發揮了關鍵作用，當水淹導致乙烯增加時，乙烯激活乙烯信號通路，EIN3通過結合SK1和SK2的啟動子促進兩者表達，從而促進水下莖節的生長，進而使植物可以在水下迅速伸長，這個過程需要通過GA共同起作用。淹澇脅迫下，植物體內pH值發生變動，這被認為是淹澇和干旱條件下植物均有的信號，且很多研究利用pH敏感染料發現植物細胞質pH值的下降早于細胞死亡和通氣組織的形成［19-20］。

2 內源激素相關基因表達變化

植物內源激素是植物體內重要調節物質，在植物生長發育和響應逆境脅迫中具有不可或缺的作用。淹澇脅迫下植物內源激素的合成與運輸均發生顯著性變化，并且多種內源激素之間協調作用。淹澇條件下，植物體內乙烯（ET）含量迅速增多，ET不僅具有信號傳導的作用，還能夠與脫落酸（ABA）共同調控氣孔開度，促進葉綠素降解等作用［21］。植物體內ET是由根中合成的1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）運輸到地上部分在通氣條件下轉換而成，王翠英等［22］發現淹澇脅迫下地黃根部的ACC合酶基因呈現極顯著的上調變化，而在根部沒有檢測出ACC氧化酶的表達差異，這說明根部合成了ACC，但ACC氧化成ET的過程不發生在根部。淹澇脅迫下，ET能夠刺激生長素（IAA）的轉運，Vidoz等［23］發現遭受到淹澇后的番茄將IAA積累在基部，以誘導不定根的生成。Qi等［24］的研究表明淹澇脅迫下黃瓜根部上調了兩種ERF，且認為ET和IAA是黃瓜淹澇反應的主要激素。鑒于ET響應在植物遭遇淹澇脅迫反應中的重要性，認為ERF是耐澇功能分析的良好候選基因。ABA是常見的植物內源激素，能夠提高植物對逆境脅迫的耐受性，常被稱作應激激素或脅迫激素，植物在遭受到淹澇脅迫后體內ABA含量通常具有上升的趨勢。9-順式-環氧類胡蘿卜素加氧酶（9-cis-epoxycarotenoiddioxygenase，NCED）家族基因是控制生物體內ABA合成的關鍵基因［25］。Zhang等［26］發現處于現蕾期、開花期、結鈴期的棉花淹澇15 d后葉片中NCED2的相對表達量分別是對照的40.9、22.2、1.9倍，NCED5的相對表達量分別是對照的37.6、16.6、8.2倍，而ABA含量分別平均增加了59.2%、44.3%和18.3%，這些結果表明：淹澇脅迫下各生長階段棉花的ABA合成相關基因的表達量的表達量上調，以增加體內ABA含量提高抗澇性。

3 光合效率和色素代謝

光合作用是綠色植物應對各種內外因子最為敏感的生理過程之一，淹澇脅迫下，植物處于弱光環境，氣體擴散受限，葉綠素降解，與光合作用相關的蛋白含量降低，光合速率下降［27］。Qi等［24］的研究表明，淹澇脅迫使黃瓜植物內編碼光系統II亞基S（PsbS）、光系統I psaG/psaK和鐵氧還蛋白等與光合作用相關的基因表達下調，引起光合速率和碳水化合物含量下降。Rubisco是葉片中的主要蛋白質，在光合作用CO2同化和催化植物光呼吸途徑的初始階段發揮作用，棉花植物在遭受到淹澇脅迫24 h之后rubisco和rubisco活化酶基因的表達被下調，一些參與光合作用相關的基因（特別是參與合成葉綠素的基因）也被下調［28］。葉綠體類囊體中PSII和PSI的反應中心是ROS的主要生成位點，ROS的光生產主要受生理和環境因素的影響，Lee等［29］研究發現，在淹澇脅迫下油菜幼苗葉片中編碼過氧化氫酶（CAT）的基因下調，CAT可能通過將H2O2轉化為O2而控制油菜中H2O2的水平，這種基因的下調可能會使淹澇油菜幼苗葉片中H2O2濃度增多，從而損害光合機構，抑制光合反應，導致植物過早衰老。淹澇脅迫下，油菜幼苗體內編碼與光合作用相關的蛋白的基因表達下調，包括葉綠素a/b結合蛋白CP29.2、LHCII II型葉綠素a/b結合蛋白、PSI III型葉綠素a/b結合蛋白、光系統II 5 kD蛋白、光系統I反應中心亞基XI、氧化轉錄增強蛋白2-1、ATP合成酶γ鏈1、葉綠體前體、細胞色素b6-f復合鐵硫亞基、PsbP相關類囊體腔蛋白1以及rubisco和rubisco活化酶［29］，說明淹澇脅迫抑制植物體內與光合作用相關蛋白的生成，降低光合速率，減少光合產物的生成。

4 呼吸代謝

淹澇脅迫致使植物處于缺氧狀態，導致植物三羧酸循環（Tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）受阻，影響線粒體ATP的合成和NADH的氧化，植物體需通過糖酵解、乙醇發酵與乳酸發酵代謝途徑獲取維持其生存發育所需要的能量。然而，1mol葡萄糖在TCA循環途徑中生成的ATP遠遠超過糖酵解和發酵代謝途徑，作為植物遭受淹澇脅迫后的主要能量來源途徑，糖酵解和發酵代謝將不可避免地加速以獲得維持植物生命活動所需的ATP，植物體內丙酮酸脫羧酶（Pyruvate decarboxylase，PDC）、ADH等參與無氧代謝的關鍵酶的含量和活性均顯著升高［30］。Tadege［31］發現參與糖酵解和發酵代謝的基因表達在2-24 h之間迅速增加，表明淹澇脅迫下植物主要的能量來源已轉換為糖酵解和發酵代謝途徑［32］。Qi等［24］研究發現，黃瓜在遭受到淹澇脅迫后，根部涉及TCA循環的酶類基因表達被下調，如PDC、檸檬酸鹽水解酶、異檸檬酸脫氫酶、琥珀酰-CoA連接酶、琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶等，而參與磷酸戊糖和乙醛酸途徑的基因在8 h后上調，然后下調，說明淹澇條件抑制了黃瓜的TCA循環，激活了磷酸戊糖和乙醛酸途徑。ADH和乙醛脫氫酶（Aldehyde dehydrogenase，ALDH）是酒精發酵過程中的關鍵酶，大豆幼苗在遭受到淹澇脅迫后，ADH1和ALDH7的基因表達呈現先降低后升高再降低的變化趨勢，且基因表達量與正常對照組相比具有顯著性差異，表明大豆在遭受到淹澇脅迫后激活了體內的乙醇發酵途徑［32］。趙森等［33］對淹澇脅迫下水稻葉片中ADH2基因進行了轉錄水平上的定量分析，發現在淹澇前期，ADH2表達上升，在8 h表達量最大，隨之下降。說明在一定的淹澇程度下水稻體內ADH增加，水稻通過乙醇發酵而產生維持自身生命活動所需的部分能量。黃勝男等［34］以獼猴桃為材料克隆了PDC2基因，并借助農桿菌介導轉化擬南芥，得到轉基因型擬南芥盆栽幼苗，進行淹澇脅迫后發現轉基因植株PDC2基因過量表達，且轉基因植株的形態正常，根系顯著長于野生型，生物量積累多于野生型，這些結果表明擬南芥中PDC2基因的過量表達加速了無氧代謝過程，增強了植株的耐澇性。

5 活性氧清除系統

淹澇脅迫嚴重影響植物的生長和發育，造成植物抗氧化防御的失衡以及大量ROS的積累，最終可能導致植物氧化性傷害，植物為了清除過量的ROS，已經形成有效的酶促和非酶促抗氧化系統以抵抗植物氧化性傷害［35］。酶促抗氧化物包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽還原酶（GR）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、單脫氫抗壞血酸還原酶（MDAR）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）和CAT等［36］，非酶促抗氧化物包括谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸、類胡蘿卜素、生育酚和黃酮等［37］，它們共同發揮作用以保持植物ROS的形成和去除之間的平衡。植物呼吸爆發氧化酶（Respiratory burst oxidase homologue，RBOH），又稱NADPH氧化酶，是哺乳動物吞噬細胞NADPH氧化酶復合體主要功能亞基gp91phox的同源物，在ROS介導的信號傳導中具有重要作用，Qi等［24］研究發現，黃瓜RBOH基因在淹澇處理期間顯著上調，表明ROS積累迅速增加，同時，編碼POD的基因表達上調，而編碼CAT、SOD、CAT、細胞溶質抗壞血酸以及谷胱甘肽S-轉移酶的基因表達下調［24］，結果表明在淹澇脅迫下黃瓜體內的活性氧清除主要依賴于POD，而不是SOD，CAT和谷胱甘肽S-轉移酶等。Lee等［29］發現在淹澇脅迫下油菜幼苗葉片中編碼POD，SOD和谷胱甘肽-S-轉移酶的基因表達上調以清除過量的ROS。大部分植物受到淹澇脅迫后，其體內編碼與ROS調節網絡相關的酶的mRNA的增加［38］。

6 轉錄因子

轉錄因子（Transcription Factors，TF）是基因表達中一類重要的調控因子，能直接或間接的與基因啟動子中的順式作用元件特異結合，從而控制靶基因的轉錄表達［39］，現代研究表明植物TF能夠調控植物逆境脅迫反應中特異基因的表達［40］。GRAS轉錄因子與NAC轉錄因子是植物中特有的轉錄因子，目前已經在多種植物中發現了它們參與逆境脅迫相關的應答過程［41-43］。王翠英等［22］發現淹澇脅迫下地黃根部有4個GRAS轉錄因子，其中3個上調，1個下調，有4個NAC轉錄因子，也是3個上調，1個下調，說明GRAS轉錄因子和NAC轉錄因子很有可能參與到地黃響應淹澇的過程。李彥杰等［44］從轉錄水平整體分析狗牙根對淹澇的響應，發現TF基因表達變化較大，共有屬于54個家族的785條TF差異表達，其中差異表達TF數量最多與表達量變化最顯著的分別是WRKY、bHLH、MYB、AP2-EREBP、MADS、MYB-related、Trihelix、NAC和TCP等9個TF家族，這些TF家族基因的表達變化可能是狗牙根為了抵抗淹澇而進行的生理代謝和形態學發育的調節。DREB轉錄因子是EREBP型轉錄因子亞家族中的一類，能特異性地與脫水應答元件相結合，惠林沖［45］從蓮藕中克隆得到H5 DREB基因，并成功構建NnDREB2A表達載體以侵染擬南芥，發現淹澇脅迫5 d后野生型擬南芥存活率比轉基因型擬南芥高13.7倍，表明NnDREB2A降低了植株的耐淹澇能力。淹澇脅迫下，地黃中有12個TF家族基因表達改變，其中WRKY家族中36個上調，18個下調，MYC2家族中7個上調，22個下調，BHLH家族中10個上調，28個下調，MYB家族中7個上調，13個下調，表明這些TF對淹澇條件下地黃調控基因表達有著重要的作用［22］。Lee等［29］研究發現MYB轉錄因子在淹澇植物幼苗中基因表達上調，能夠調控氣孔運動和提高植物抗逆性。轉錄調控在植物響應淹澇方面起著重要作用，一些已在植物中克隆的淹澇的關鍵基因是TF編碼基因，包括Sub1A，Snorkel1、Snorkel2、HRE1、HRE2和 RAP2.2， 特別是ERF，Zou等［46］鑒定出淹澇條件下玉米中有7種編碼ERF的基因受到調節，5種被誘導，包括ERF2、ERF4、ERF7、ERF11 和 ERF54。

7 功能蛋白

熱激蛋白（Heat shock proteins，HSPs）是一類在生物體受到逆境刺激后大量表達的保守性蛋白質家族，能夠發揮其分子伴侶的功能以提高生物體對逆境的抵抗能力［47］。張健等［48］利用 RT-PCR 及Western Blot技術發現，淹澇脅迫造成黃瓜HSP70的mRNA和蛋白質的表達量呈現出先升后降的趨勢，并且在淹水的第4小時時HSP70的mRNA和蛋白質表達量均極顯著高于正常對照組。近年來研究發現，逆境條件下植物體內HSPs被誘導大量表達，在植物抵抗淹澇過程中扮演重要角色。淹澇條件下，地黃生長受阻，主要是一些控制生長發育的關鍵基因下調表達所致，如細胞周期素（是控制細胞分裂的關鍵蛋白）、細胞骨架蛋白（是與細胞的分裂和形狀密切相關的蛋白）。王翠英等［22］在淹水地黃中檢測到41個細胞周期素的基因，其中有39個下調表達，檢測到25個細胞骨架蛋白的基因，其中有24個下調表達。淹澇條件下，植物生長發育受阻，可能與這兩種蛋白基因的下調表達有關。

8 展望

植物響應淹澇是一個極其復雜的生理過程，不同植物、同一植物不同品種以及同一植物不同生育期間對淹澇脅迫的響應往往具有很大的差異，同時，淹澇條件下植物的代謝網絡也是錯綜復雜。轉錄組學作為后基因組時代最活躍的學科之一，連接了基因組與蛋白質組，能夠快速預測植物響應淹澇的防御相關因子，揭示植物信號傳導、能量代謝等與防御反應的關系，對于了解植物抗澇機制以及提高植物抗澇性能具有重要的應用價值。目前，通過轉錄組測序技術發現植物中有許多的基因mRNA水平發生了變化以響應淹澇，但是這些基因表達的產物是否存在協調作用或其他關聯還有待進一步的研究。

生物個體的功能最終體現在細胞內基因編碼的蛋白質上，但是蛋白質的含量和基因的表達水平并不完全一致，即轉錄組信息并不能夠完全說明生物個體的具體功能。盡管不少植物的抗澇相關基因已被克隆，植物抗淹澇的分子機制也逐漸被揭示，然而整體來看人們對植物抗淹澇的了解仍相當有限。基于以上所述，將基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學與遺傳學相結合研究植物響應淹澇等其他逆境脅迫會是未來的研究熱點，這個結合能夠多層次、多技術手段共同作用，從整體研究植物系統基因或者環境變化的響應，全面了解植物響應淹澇等其他逆境脅迫的分子機理。