植物响应淹涝的转录组学研究进展

王得运 罗光明 刘培培 周丽 徐月莹 陈云婷

（江西中医药大学药学院，南昌 330004）

近年来，转录组学已成为后基因组时代最活跃的学科之一，其为生物基因表达研究提供了技术手段，应用范围十分广泛。转录组有广义和狭义之分，广义的转录组是指生物体细胞或组织在特定状态下所转录出来的所有RNA的总和，主要包括编码蛋白质的RNA（如mRNA）和非编码蛋白质的RNA（如rRNA，tRNA，microRNA等）；而狭义的转录组通常指所有编码蛋白质的mRNA的总和［1-2］。转录组概念被Velculescu等［3］最先提出，其连接了基因组与蛋白质组，具有动态性，即能反映生物个体在某一特定发育或生理阶段、特定器官、组织或细胞中所有基因表达水平的数据［4］。随着高通量测序技术的发展，基因组拼装和注释等生物信息学分析软件的开发与应用，以及生物信息分析平台的不断增加，转录组研究广泛应用于生命科学领域，为发现与特定生理功能相关的新基因、预测未知基因以及理解基因表达调控机制等提供大量的重要信息［5-6］。

淹涝是植物遭受的主要的非生物胁迫之一［7］，与干旱、高盐和极端气温等非生物因子共同决定了物种的组成和分布［8］。随着全球气候异常，局部地区出现暴雨或长期降雨的现象，再加上自然资源的不合理利用，淹涝已成为当前所面临的最严重的自然灾害之一［9-10］。植物在遭受到淹涝胁迫后，体内会产生一系列的生理生化反应以维持生长和发育，这一过程涉及到许多胁迫反应基因的表达与调控。从转录组层面进行植物响应淹涝的研究，分析淹涝胁迫下植物整个基因组水平的表达情况，对揭示植物抗淹涝的机理以及构建逆境基因组转录调控网络具有重大的意义。本研究综述了近年来植物淹涝在转录组水平上的研究进展，介绍了淹涝胁迫下植物体内信号传导、内源激素、光合作用、呼吸代谢与活性氧清除等途径中的差异表达基因的变化，以及各种转录因子和功能蛋白的差异基因表达情况，从mRNA水平来揭示植物响应淹涝的机制，以期为植物淹涝研究提供参考。

1 淹涝胁迫信号传导

淹涝胁迫使气体扩散受限，造成植物周期或长期处于厌氧或缺氧的状态，植物为了生存能够迅速做出响应（包括改变基因表达与调节细胞代谢等），这说明植物体存在着高效的胁迫信号感知和转导机制。植物一方面可直接通过结合氧或与氧发生反应的受体感知淹涝胁迫，另一反面通过细胞内pH的降低、ATP的减少以及Ca2+浓度的变化等间接感受胁迫［11-12］。Subbaiah［13］发现植物细胞胞质内Ca2+在淹涝胁迫中具有信号传导的作用，植物在遭受到胁迫后其浓度显著升高，进而诱导乙醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）基因和其他低氧反应相关基因的表达，以降低植物生命活动的氧耗。植物体内乙烯不仅作为内源激素，还可以和氧气一样参与植物的信号传导。在淹涝条件下低浓度乙烯可以作为信号分子，与细胞膜上的乙烯受体（Ethylene receptor，ETR）发生三聚体反应（Constitutive triple response，CTR）并形成CTR蛋白，进而诱导Ethylene insensitive（EIN）和Ethylene insensitive like（EIL）蛋白基因的差异表达［14］，EIN/EIL蛋白再与乙烯响应因子（Ethylene response factor，ERF）基因的启动子区域结合将特异性启动ERF家族基因的表达［15］，ERF家族基因可特异性诱导植物体内含有GCC-box顺式启动元件（AGCCGCC element）和DRE/CRT顺式启动元件（Dehydration responsive element/C-repeat RCCGCC element）的功能基因的表达［16］。Hattori等和 Ayano 等［17-18］发现两个 ERFVII类转录因子SK1和SK2在深水水稻适应水淹环境中发挥了关键作用，当水淹导致乙烯增加时，乙烯激活乙烯信号通路，EIN3通过结合SK1和SK2的启动子促进两者表达，从而促进水下茎节的生长，进而使植物可以在水下迅速伸长，这个过程需要通过GA共同起作用。淹涝胁迫下，植物体内pH值发生变动，这被认为是淹涝和干旱条件下植物均有的信号，且很多研究利用pH敏感染料发现植物细胞质pH值的下降早于细胞死亡和通气组织的形成［19-20］。

2 内源激素相关基因表达变化

植物内源激素是植物体内重要调节物质，在植物生长发育和响应逆境胁迫中具有不可或缺的作用。淹涝胁迫下植物内源激素的合成与运输均发生显著性变化，并且多种内源激素之间协调作用。淹涝条件下，植物体内乙烯（ET）含量迅速增多，ET不仅具有信号传导的作用，还能够与脱落酸（ABA）共同调控气孔开度，促进叶绿素降解等作用［21］。植物体内ET是由根中合成的1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）运输到地上部分在通气条件下转换而成，王翠英等［22］发现淹涝胁迫下地黄根部的ACC合酶基因呈现极显著的上调变化，而在根部没有检测出ACC氧化酶的表达差异，这说明根部合成了ACC，但ACC氧化成ET的过程不发生在根部。淹涝胁迫下，ET能够刺激生长素（IAA）的转运，Vidoz等［23］发现遭受到淹涝后的番茄将IAA积累在基部，以诱导不定根的生成。Qi等［24］的研究表明淹涝胁迫下黄瓜根部上调了两种ERF，且认为ET和IAA是黄瓜淹涝反应的主要激素。鉴于ET响应在植物遭遇淹涝胁迫反应中的重要性，认为ERF是耐涝功能分析的良好候选基因。ABA是常见的植物内源激素，能够提高植物对逆境胁迫的耐受性，常被称作应激激素或胁迫激素，植物在遭受到淹涝胁迫后体内ABA含量通常具有上升的趋势。9-顺式-环氧类胡萝卜素加氧酶（9-cis-epoxycarotenoiddioxygenase，NCED）家族基因是控制生物体内ABA合成的关键基因［25］。Zhang等［26］发现处于现蕾期、开花期、结铃期的棉花淹涝15 d后叶片中NCED2的相对表达量分别是对照的40.9、22.2、1.9倍，NCED5的相对表达量分别是对照的37.6、16.6、8.2倍，而ABA含量分别平均增加了59.2%、44.3%和18.3%，这些结果表明：淹涝胁迫下各生长阶段棉花的ABA合成相关基因的表达量的表达量上调，以增加体内ABA含量提高抗涝性。

3 光合效率和色素代谢

光合作用是绿色植物应对各种内外因子最为敏感的生理过程之一，淹涝胁迫下，植物处于弱光环境，气体扩散受限，叶绿素降解，与光合作用相关的蛋白含量降低，光合速率下降［27］。Qi等［24］的研究表明，淹涝胁迫使黄瓜植物内编码光系统II亚基S（PsbS）、光系统I psaG/psaK和铁氧还蛋白等与光合作用相关的基因表达下调，引起光合速率和碳水化合物含量下降。Rubisco是叶片中的主要蛋白质，在光合作用CO2同化和催化植物光呼吸途径的初始阶段发挥作用，棉花植物在遭受到淹涝胁迫24 h之后rubisco和rubisco活化酶基因的表达被下调，一些参与光合作用相关的基因（特别是参与合成叶绿素的基因）也被下调［28］。叶绿体类囊体中PSII和PSI的反应中心是ROS的主要生成位点，ROS的光生产主要受生理和环境因素的影响，Lee等［29］研究发现，在淹涝胁迫下油菜幼苗叶片中编码过氧化氢酶（CAT）的基因下调，CAT可能通过将H2O2转化为O2而控制油菜中H2O2的水平，这种基因的下调可能会使淹涝油菜幼苗叶片中H2O2浓度增多，从而损害光合机构，抑制光合反应，导致植物过早衰老。淹涝胁迫下，油菜幼苗体内编码与光合作用相关的蛋白的基因表达下调，包括叶绿素a/b结合蛋白CP29.2、LHCII II型叶绿素a/b结合蛋白、PSI III型叶绿素a/b结合蛋白、光系统II 5 kD蛋白、光系统I反应中心亚基XI、氧化转录增强蛋白2-1、ATP合成酶γ链1、叶绿体前体、细胞色素b6-f复合铁硫亚基、PsbP相关类囊体腔蛋白1以及rubisco和rubisco活化酶［29］，说明淹涝胁迫抑制植物体内与光合作用相关蛋白的生成，降低光合速率，减少光合产物的生成。

4 呼吸代谢

淹涝胁迫致使植物处于缺氧状态，导致植物三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）受阻，影响线粒体ATP的合成和NADH的氧化，植物体需通过糖酵解、乙醇发酵与乳酸发酵代谢途径获取维持其生存发育所需要的能量。然而，1mol葡萄糖在TCA循环途径中生成的ATP远远超过糖酵解和发酵代谢途径，作为植物遭受淹涝胁迫后的主要能量来源途径，糖酵解和发酵代谢将不可避免地加速以获得维持植物生命活动所需的ATP，植物体内丙酮酸脱羧酶（Pyruvate decarboxylase，PDC）、ADH等参与无氧代谢的关键酶的含量和活性均显著升高［30］。Tadege［31］发现参与糖酵解和发酵代谢的基因表达在2-24 h之间迅速增加，表明淹涝胁迫下植物主要的能量来源已转换为糖酵解和发酵代谢途径［32］。Qi等［24］研究发现，黄瓜在遭受到淹涝胁迫后，根部涉及TCA循环的酶类基因表达被下调，如PDC、柠檬酸盐水解酶、异柠檬酸脱氢酶、琥珀酰-CoA连接酶、琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶等，而参与磷酸戊糖和乙醛酸途径的基因在8 h后上调，然后下调，说明淹涝条件抑制了黄瓜的TCA循环，激活了磷酸戊糖和乙醛酸途径。ADH和乙醛脱氢酶（Aldehyde dehydrogenase，ALDH）是酒精发酵过程中的关键酶，大豆幼苗在遭受到淹涝胁迫后，ADH1和ALDH7的基因表达呈现先降低后升高再降低的变化趋势，且基因表达量与正常对照组相比具有显著性差异，表明大豆在遭受到淹涝胁迫后激活了体内的乙醇发酵途径［32］。赵森等［33］对淹涝胁迫下水稻叶片中ADH2基因进行了转录水平上的定量分析，发现在淹涝前期，ADH2表达上升，在8 h表达量最大，随之下降。说明在一定的淹涝程度下水稻体内ADH增加，水稻通过乙醇发酵而产生维持自身生命活动所需的部分能量。黄胜男等［34］以猕猴桃为材料克隆了PDC2基因，并借助农杆菌介导转化拟南芥，得到转基因型拟南芥盆栽幼苗，进行淹涝胁迫后发现转基因植株PDC2基因过量表达，且转基因植株的形态正常，根系显著长于野生型，生物量积累多于野生型，这些结果表明拟南芥中PDC2基因的过量表达加速了无氧代谢过程，增强了植株的耐涝性。

5 活性氧清除系统

淹涝胁迫严重影响植物的生长和发育，造成植物抗氧化防御的失衡以及大量ROS的积累，最终可能导致植物氧化性伤害，植物为了清除过量的ROS，已经形成有效的酶促和非酶促抗氧化系统以抵抗植物氧化性伤害［35］。酶促抗氧化物包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDAR）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）和CAT等［36］，非酶促抗氧化物包括谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸、类胡萝卜素、生育酚和黄酮等［37］，它们共同发挥作用以保持植物ROS的形成和去除之间的平衡。植物呼吸爆发氧化酶（Respiratory burst oxidase homologue，RBOH），又称NADPH氧化酶，是哺乳动物吞噬细胞NADPH氧化酶复合体主要功能亚基gp91phox的同源物，在ROS介导的信号传导中具有重要作用，Qi等［24］研究发现，黄瓜RBOH基因在淹涝处理期间显着上调，表明ROS积累迅速增加，同时，编码POD的基因表达上调，而编码CAT、SOD、CAT、细胞溶质抗坏血酸以及谷胱甘肽S-转移酶的基因表达下调［24］，结果表明在淹涝胁迫下黄瓜体内的活性氧清除主要依赖于POD，而不是SOD，CAT和谷胱甘肽S-转移酶等。Lee等［29］发现在淹涝胁迫下油菜幼苗叶片中编码POD，SOD和谷胱甘肽-S-转移酶的基因表达上调以清除过量的ROS。大部分植物受到淹涝胁迫后，其体内编码与ROS调节网络相关的酶的mRNA的增加［38］。

6 转录因子

转录因子（Transcription Factors，TF）是基因表达中一类重要的调控因子，能直接或间接的与基因启动子中的顺式作用元件特异结合，从而控制靶基因的转录表达［39］，现代研究表明植物TF能够调控植物逆境胁迫反应中特异基因的表达［40］。GRAS转录因子与NAC转录因子是植物中特有的转录因子，目前已经在多种植物中发现了它们参与逆境胁迫相关的应答过程［41-43］。王翠英等［22］发现淹涝胁迫下地黄根部有4个GRAS转录因子，其中3个上调，1个下调，有4个NAC转录因子，也是3个上调，1个下调，说明GRAS转录因子和NAC转录因子很有可能参与到地黄响应淹涝的过程。李彦杰等［44］从转录水平整体分析狗牙根对淹涝的响应，发现TF基因表达变化较大，共有属于54个家族的785条TF差异表达，其中差异表达TF数量最多与表达量变化最显著的分别是WRKY、bHLH、MYB、AP2-EREBP、MADS、MYB-related、Trihelix、NAC和TCP等9个TF家族，这些TF家族基因的表达变化可能是狗牙根为了抵抗淹涝而进行的生理代谢和形态学发育的调节。DREB转录因子是EREBP型转录因子亚家族中的一类，能特异性地与脱水应答元件相结合，惠林冲［45］从莲藕中克隆得到H5 DREB基因，并成功构建NnDREB2A表达载体以侵染拟南芥，发现淹涝胁迫5 d后野生型拟南芥存活率比转基因型拟南芥高13.7倍，表明NnDREB2A降低了植株的耐淹涝能力。淹涝胁迫下，地黄中有12个TF家族基因表达改变，其中WRKY家族中36个上调，18个下调，MYC2家族中7个上调，22个下调，BHLH家族中10个上调，28个下调，MYB家族中7个上调，13个下调，表明这些TF对淹涝条件下地黄调控基因表达有着重要的作用［22］。Lee等［29］研究发现MYB转录因子在淹涝植物幼苗中基因表达上调，能够调控气孔运动和提高植物抗逆性。转录调控在植物响应淹涝方面起着重要作用，一些已在植物中克隆的淹涝的关键基因是TF编码基因，包括Sub1A，Snorkel1、Snorkel2、HRE1、HRE2和 RAP2.2， 特别是ERF，Zou等［46］鉴定出淹涝条件下玉米中有7种编码ERF的基因受到调节，5种被诱导，包括ERF2、ERF4、ERF7、ERF11 和 ERF54。

7 功能蛋白

热激蛋白（Heat shock proteins，HSPs）是一类在生物体受到逆境刺激后大量表达的保守性蛋白质家族，能够发挥其分子伴侣的功能以提高生物体对逆境的抵抗能力［47］。张健等［48］利用 RT-PCR 及Western Blot技术发现，淹涝胁迫造成黄瓜HSP70的mRNA和蛋白质的表达量呈现出先升后降的趋势，并且在淹水的第4小时时HSP70的mRNA和蛋白质表达量均极显著高于正常对照组。近年来研究发现，逆境条件下植物体内HSPs被诱导大量表达，在植物抵抗淹涝过程中扮演重要角色。淹涝条件下，地黄生长受阻，主要是一些控制生长发育的关键基因下调表达所致，如细胞周期素（是控制细胞分裂的关键蛋白）、细胞骨架蛋白（是与细胞的分裂和形状密切相关的蛋白）。王翠英等［22］在淹水地黄中检测到41个细胞周期素的基因，其中有39个下调表达，检测到25个细胞骨架蛋白的基因，其中有24个下调表达。淹涝条件下，植物生长发育受阻，可能与这两种蛋白基因的下调表达有关。

8 展望

植物响应淹涝是一个极其复杂的生理过程，不同植物、同一植物不同品种以及同一植物不同生育期间对淹涝胁迫的响应往往具有很大的差异，同时，淹涝条件下植物的代谢网络也是错综复杂。转录组学作为后基因组时代最活跃的学科之一，连接了基因组与蛋白质组，能够快速预测植物响应淹涝的防御相关因子，揭示植物信号传导、能量代谢等与防御反应的关系，对于了解植物抗涝机制以及提高植物抗涝性能具有重要的应用价值。目前，通过转录组测序技术发现植物中有许多的基因mRNA水平发生了变化以响应淹涝，但是这些基因表达的产物是否存在协调作用或其他关联还有待进一步的研究。

生物个体的功能最终体现在细胞内基因编码的蛋白质上，但是蛋白质的含量和基因的表达水平并不完全一致，即转录组信息并不能够完全说明生物个体的具体功能。尽管不少植物的抗涝相关基因已被克隆，植物抗淹涝的分子机制也逐渐被揭示，然而整体来看人们对植物抗淹涝的了解仍相当有限。基于以上所述，将基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学与遗传学相结合研究植物响应淹涝等其他逆境胁迫会是未来的研究热点，这个结合能够多层次、多技术手段共同作用，从整体研究植物系统基因或者环境变化的响应，全面了解植物响应淹涝等其他逆境胁迫的分子机理。