文章标题：Utilizing transcriptomics and metabolomics to unravel key genes and metabolites of maize seedlings in response to drought stress
发表期刊：BMC Plant Biology
发表时间：2024年1月8日
影响因子：5.3
干旱胁迫极大地限制了玉米的生长和产量，揭示玉米响应干旱胁迫的分子机制对于培育玉米抗旱品种至关重要。
2024年1月8日，内蒙古农业大学高聚林教授及课题组在BMC Plant Biology杂志上发表了题为Utilizing transcriptomics and metabolomics to unravel key genes and metabolites of maize seedlings in response to drought stress的文章，该文章对两个玉米自交系，一个耐旱系(si287)和一个干旱敏感系(X178)的三叶期植株进行了7天的干旱胁迫，对各处理下的玉米幼苗进行了生理性状测定和转录组和代谢谱分析。
结果显示，参与糖酵解/糖原异生、类黄酮生物合成、淀粉和蔗糖代谢以及氨基酸生物合成相关途径的基因表达差异显著。此外，联合分析表明脯氨酸、色氨酸和苯丙氨酸是玉米应对干旱胁迫的关键氨基酸。文章还鉴定了色氨酸生物合成中的三个关键基因，ZmAO1、ZmCAT1和ZmYUC6，这些基因的高表达在调节玉米耐旱性上起着重要作用。与色氨酸生物合成相关的两种代谢物，喹啉酸和犬尿氨酸，可以通过清除活性氧提高玉米对干旱胁迫的耐受性。
该研究阐明了玉米幼苗对干旱胁迫响应的潜在机制，特别是鉴定出了新的候选基因和代谢物，丰富了我们对色氨酸在玉米耐旱中的作用的理解。
与对照处理(W)相比，干旱胁迫处理(D)下的植株表现为株高更矮、叶面积更小、叶片相对含水量更低、叶片呈黄色卷曲（图1A、B），这反映了干旱下玉米植株养分缺乏、类黄酮积累。此外，干旱胁迫下植株的生物量显著下降（图1C）。同时也表明si287品种对干旱胁迫的耐受性比X178强得多。
图1. MPs对土壤机械稳定性团聚体的团聚趋势的影响
为探究si287和X178对干旱胁迫的不同反应，文章对D和W处理条件下的玉米叶片进行了转录组分析。在si287_D与si287_W的比较中总共鉴定了8,245个（4,263个上调和3,982个下调基因）差异表达基因(DEGs)（图2A），在X178_D与X178_W的比较中共鉴定了6,122个DEGs（3358个上调和2,764个下调基因）（图2B），在si287和X178之间重叠了4,583个DEGs（图2D）。这些结果表明，受干旱胁迫的si287和X178的转录组变化中相当一部分是由基因表达上调引起的。
对X178_D vs. X178_W和si287_D vs. si287_W进行了功能富集分析显示，在生物过程(BP)类别中，si287_D vs. si287_W的光合作用中的DEGs显著富集，而在X178_D vs. X178_W中没有观察到显著富集。在分子功能(MF)类别中，氧化还原酶活性、铁离子结合、四吡咯和水解酶活性显著富集。在细胞成分(CC)类别中，DEGs在类囊体和光系统中显著富集。
文章还分析了与X178相比，在干旱条件下si287富集的KEGG途径，包括糖酵解/糖原异生、类黄酮生物合成、淀粉和蔗糖代谢和氨基酸生物合成（图3A、B），表明玉米在干旱条件下通过激活这些途径来提高耐旱性。此外，ZmPP2C-A10和ZmGLK44在si287中的表达水平远高于在X178中的表达水平。这些结果进一步证明了分析的可靠性，并为代谢数据分析提供线索。
图2. 干旱胁迫下si287和X178转录组数据分析
图3. 干旱胁迫下KEGG途径富集分析
氨基酸生物合成途径代谢物的调节在干旱胁迫下的植物生存中起着至关重要的作用。脯氨酸是一种关键的代谢物，在干旱胁迫下快速积累，参与渗透保护。代谢组显示脯氨酸仅在si287_D中积累，表明其在玉米对干旱胁迫的响应中的重要性（图4A）。
植物在干旱胁迫期间保持水分获取的另一种必需氨基酸是蛋氨酸，它参与根系的生长和发育。该研究中，蛋氨酸也仅在si287-D中积累。此外，文章发现，与W条件相比，D条件下的si287和X178中的苯丙氨酸和酪氨酸含量都显著提高，显示出它们在干旱胁迫响应中的不可或缺性。KEGG分析显示，参与水杨酸(SA)合成并在干旱或热胁迫后迅速减少的莽草酸仅在si287-D下调。另一方面，色氨酸仅在si287_D vs. si287_W（图4A）中显著上调，表明色氨酸在干旱条件下促进玉米存活方面具有积极作用。总的来说，这些氨基酸及其相关代谢产物在协助玉米适应干旱胁迫和生存中起着至关重要的作用。
图4. 干旱胁迫下色氨酸(Trp)生物合成途径基因和代谢产物的激活
在该研究中，文章分析了si287_D与si287_W处理下色氨酸代谢KEGG富集的所有的23个基因。在该23个基因中，19个(82.6%)基因是属于9个TF家族的转录因子(TFs)。Thiolase_N TF成员101,202,696、100,274,017、100,282,283和103,640,265，以及Pyr_redox_2 TF成员100,381,818和100,383,599在干旱胁迫后上调。ZmAO1和ZmCAT1仅在si287_D显著上调（图4C、5B和5C）。含黄素单加氧酶(FMO)TF也被称为YUC基因，可以将IPyA转化为IAA，在干旱胁迫后被下调。然而，另一个类似FMO的TF成员ZmYUC6(103,629,142)在干旱胁迫后被强烈上调，尤其是在si287_D中（图4C和5D）。根据聚类热图，色氨酸代谢最丰富的DEMs是喹亚酸、色胺、L-色氨酸、犬尿氨酸和吲哚。喹啉酸含量在干旱胁迫后迅速下降，色胺、L-色氨酸、犬尿氨酸和吲哚在si287_D中丰度高于X178_D（图4B），而其中吲哚是合成色氨酸的关键中间体。
图5. Trp生物合成途径中的关键代谢产物和基因表达
该文章对玉米干旱敏感系X178和耐旱系si287的转录组学和代谢组学的分析为玉米幼苗对干旱胁迫的响应机制提供了新的见解。总的来说，导致玉米耐旱性的差异的因素有：(1)糖酵解/糖原异生、黄酮生物合成、淀粉和蔗糖代谢以及氨基酸途径的生物合成；(2)脯氨酸、甲氨酸和色氨酸氨基酸；(3)喹啉酸和犬尿氨酸；(4)ZmAO1、ZmCAT1和ZmYUC6是关键调节基因。该文章强调了色氨酸通过参与IAA-ABA信号传导以及SA和NAD随后的ROS清除途径在玉米对干旱胁迫的响应中起到关键作用。此外，与色氨酸生物合成密切相关的基因和代谢物可以作为通过基因编辑和其他生物技术策略提高玉米耐受性和产量的潜在目标。
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