缺鉀脅迫下谷子轉錄組分析及相關基因挖掘

摘要：鉀是作物生長不可缺少的元素，挖掘提高作物鉀吸收能力的基因，增強作物對缺鉀的耐受性具有重要的意義。以‘冀谷45’為供試材料，幼苗長至6葉期時進行缺鉀脅迫7 d，通過農藝指標及轉錄組分析挖掘缺鉀脅迫的相關基因。結果表明，缺鉀脅迫影響谷子的生長發育，株高、葉寬、葉長、莖粗、苗期地上部干重及葉綠素含量低于CK，而根長、根表面積顯著增加。轉錄組分析顯示，缺鉀脅迫后217個基因表達上調，38個基因表達下調。GO功能富集發現，差異表達基因主要富集于核糖體的結構成分、有機氮化合物代謝過程、蛋白質代謝過程、細胞蛋白質代謝過程、無膜細胞器等類別。KEGG功能富集結果表明，差異表達基因主要富集于核糖體、植物激素信號轉導、谷胱甘肽代謝等19個通路。進而篩選出35個與激素表達顯著相關的基因，19個氧化應激相關差異表達基因，10個轉錄因子家族及11個與轉導信號相關的基因，1個與氨基酸及核苷酸的糖代謝相關的基因。候選基因Seita. 9G193900 屬于CYP45084A 亞家族，調控S 型木質素合成的關鍵酶；Seita.5G365500 屬于WRKY家族，調控抗病響應基因PAD3 等基因的表達；Seita.3G216900 是RNA聚合酶Ⅱ轉錄亞基37E相關介質——HSPA1s輔助蛋白；Seita.4G286000 為幾丁內質內切酶基因CHIB，調控糖的合成與酵解。以上結果初步揭示了谷子缺鉀脅迫相關基因的轉錄調控，為谷子耐缺鉀相關基因的克隆與功能驗證奠定基礎。

關鍵詞：谷子；缺鉀；差異表達基因；轉錄組

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0900

中圖分類號：S515 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）06003015

谷子（Setaria italica）起源于中國，是農耕文化的主栽作物[12]，在農業生產和食物多元化消費中占有重要地位[3]。鉀是植物三大礦質營養元素之一，對植物的生長發育十分重要，尤其具備可提高作物品質和適應外界不良環境的能力。鉀元素除對谷子籽粒的形成起到關鍵作用[4]外，還對許多生物和代謝過程起著調控作用[5]，如維持細胞滲透壓、調節氣孔開閉、促進光合作用產物的運輸和分配、提高谷子產量[6]、品質[7]等。現代農業中，化肥的廣泛使用在一定程度上彌補了植物生長過程中礦質營養的不足，但也破壞了生態環境。同時，原料礦物的緊缺也嚴重威脅著農業的可持續發展。因此，研究植物在缺鉀脅迫下的適應機制可以為減少化肥的使用、提高作物的產量和品質提供理論依據和實踐指導。

目前，缺鉀脅迫的研究已經取得了許多進展。研究發現，缺鉀脅迫改變根系構型，抑制植物主根和側根的生長，促進根毛的伸長 [89]。缺鉀處理下，‘晉谷21號’和‘龍谷25號’葉片的色素含量較正常鉀處理均顯著降低[10]。缺鉀脅迫影響植物體內酶的活性、激素的合成與運輸以及細胞膜的穩定性等。通過基因克隆、轉錄組學和蛋白質組學等技術手段，鑒定了許多與缺鉀脅迫相關的基因和蛋白。鈣依賴的蛋白激酶（Ca/calmodulindependentprotein kinases，CDPKs）和鈣調蛋白（calmodulin， CaMs）等在鈣信號通路中起關鍵作用，它們能夠感知鈣離子含量的變化并啟動下游的響應基因；活性氧（reactive oxygen species，ROS）信號通路通過氧化修飾蛋白來激活或抑制特定的信號；脫落酸（abscisic acid，ABA）、乙烯（ethylene，ET）和茉莉酸（jasmonic acid， JA）等植物激素的信號通路與鉀離子的吸收、轉運和分配密切相關。鉀轉運體基因（如HKT*）編碼高親和性鉀轉運體，在缺鉀條件下能夠高效吸收土壤中的鉀離子。鉀通道基因（如Shaker*）編碼的鉀離子通道在植物缺鉀響應中起關鍵作用。WRKY、MYB 和bZIP 等轉錄因子家族在缺鉀響應中扮演重要角色。何應對[11]對香蕉幼苗進行缺鉀處理，獲得了NRT1.1、HKT2、IAA16、A-2b、78A4、pectinesterase2 等相關鉀響應基因[11]。黃文功等[12]利用低鉀處理亞麻植株，鑒定到1 154個基因差異表達，進而篩選出7 個與鉀相關的基因[12]。Shaker 家族、TPK 和KIR 家族以及KUP/HAK/KT家族等鉀離子轉運蛋白主要在細胞中參與鉀離子的轉運。這些基因和蛋白通過調控鉀離子的吸收、轉運和分配來響應缺鉀脅迫[13-15]。這些研究為深入了解植物在逆境下的生存策略及植物抗逆性的遺傳改良提供了基因資源，并奠定了理論基礎。

轉錄組學是在整體水平上研究細胞中基因轉錄的情況及轉錄調控規律，主要從RNA水平研究基因表達的情況。以DNA為模板合成RNA的轉錄過程是基因表達的第一步，也是基因表達調控的關鍵環節。其不僅關注基因的表達水平，還關注基因的轉錄調控機制。在轉錄調控方面，已經發現了許多重要的轉錄因子和調控元件，它們通過相互作用來精確調控基因的轉錄過程。此外，非編碼RNA等新型調控元件的發現也為轉錄組學的研究帶來了新的視角和挑戰。通過轉錄組分析在多個植物物種中鑒定出了大量在缺鉀條件下差異表達的基因，包括鉀轉運體、鉀通道、轉錄因子等相關基因，這些基因為深入了解植物的缺鉀響應機制提供了豐富的資源。