外源硅缓解番茄盐胁迫响应的生理与转录组学分析

《Plant Signaling & Behavior》：Physiological and transcriptomic analyses reveal that exogenous silicon alleviate the response of tomato to salt stress

　　

盐胁迫是影响番茄植物生长发育的主要非生物胁迫。硅作为一种有益元素，在缓解多种非生物胁迫方面显示出潜力。然而，尽管该领域已进行了大量研究，但外源硅缓解番茄幼苗盐胁迫的确切机制尚未完全阐明。在本研究中，研究人员分析了施用或不施用硅的番茄幼苗在NaCl胁迫下的生理反应及其分子机制。结果表明，盐胁迫严重抑制了幼苗的生长，表现为地上部和根部鲜重及株高的降低，而施用外源硅显著缓解了这种损害。与单独NaCl处理（Na）相比，盐胁迫加硅处理（Na + Si）改善了番茄幼苗的植株生长、叶片叶绿素a含量、净光合速率（Pn）和脯氨酸含量，并降低了活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）的含量。转录组分析显示，Na + Si处理与Na处理之间有435个差异表达基因（DEGs）（397个上调，38个下调）。进一步的富集分析表明，Na + Si处理中上调的DEGs在响应盐胁迫、乙烯（ET）和脱落酸（ABA）生物合成过程、木质素分解代谢过程、细胞壁生物合成以及MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）信号通路中富集。此外，外源硅的施用（Na + Si）上调了关键转录因子家族的表达，特别是AP2/ERF、WRKY和NAC家族。总之，本研究初步揭示了受外源硅处理影响的候选基因和代谢途径，可能为提高番茄对盐胁迫的适应性提供策略。

本研究以学术论文形式发表，旨在从生理和分子层面探究外源硅对番茄盐胁迫的缓解机制。盐胁迫是影响设施蔬菜栽培的主要非生物胁迫之一，长期集约种植导致的土壤次生盐渍化严重影响番茄等作物的生长发育和产量。尽管硅作为有益元素在增强植物抗逆性方面已有研究，但外源硅调控低硅积累型植物如番茄适应盐胁迫的精确分子机制，尤其是在根系中的响应机制，仍需深入探索。因此，本研究结合生理指标测定和转录组测序（RNA-seq）技术，系统分析外源硅对盐胁迫下番茄幼苗的影响，以期为设施番茄耐盐栽培及品种选育提供理论依据。

研究人员采用“东农708”番茄品种幼苗，在六叶期设置了三个处理：对照（CK，正常营养液）、150 mM NaCl盐胁迫（Na）以及150 mM NaCl盐胁迫加2 mM外源硅（Na+Si）。处理15天后，测定株高、鲜重等生长指标，叶绿素含量、净光合速率等光合参数，以及根系中丙二醛（MDA）、脯氨酸、活性氧（H₂O₂、O₂^-）含量。同时，采集根系样品进行RNA提取、建库，并利用Illumina HiSeq 2500平台进行转录组测序。通过生物信息学分析筛选差异表达基因（DEGs），并进行基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析。关键基因的表达通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）进行验证。数据统计采用SPSS软件进行方差分析和多重比较。

3.1. 盐胁迫下外源硅对植株生长的影响

盐胁迫显著抑制了番茄幼苗的株高、地上部和根部鲜重，而外源硅处理部分逆转了这种抑制，使这些指标分别比Na处理增加了32.02%、61.78%和79.69%。盐胁迫降低了叶片叶绿素a含量和净光合速率（Pn），而硅处理使叶绿素a含量和Pn分别比Na处理提高了38.12%和得到显著恢复。叶绿素b含量在盐胁迫下降低，但硅处理对其无显著影响。这些结果表明外源硅能有效缓解盐胁迫对番茄幼苗生长的抑制，并改善其光合能力。

3.2. 外源硅对MDA、脯氨酸和ROS含量的影响

盐胁迫导致根系MDA、H₂O₂和O₂^-含量显著升高，表明细胞膜脂过氧化和氧化损伤加剧。外源硅处理使MDA、H₂O₂和O₂^-含量分别比Na处理降低了44.18%、30.17%和35.58%。同时，硅处理显著提高了根系的脯氨酸含量（比Na处理提高35.48%），这有助于渗透调节。结果表明，外源硅通过降低氧化损伤和增强渗透调节来缓解盐胁迫。

3.3. 转录组数据分析

通过比较不同处理间的基因表达，研究人员在Na+Si与Na之间鉴定出435个DEGs，其中397个上调，38个下调。与Na处理相比，Na+Si处理引发了独特的转录组变化，表明外源硅调控了特定的基因表达程序以应对盐胁迫。

3.4. GO富集分析

对Na+Si与Na之间的上调DEGs进行GO富集分析发现，这些基因显著富集于三大类生物过程：1）胁迫响应，如“响应盐胁迫”、“响应热”、“响应缺水”；2）生物合成与代谢过程，如“细胞壁生物合成”、“木质素分解代谢过程”、“乙烯生物合成过程”、“脱落酸生物合成过程”；3）转录调控，如“DNA模板转录的调控”。这提示外源硅可能通过激活胁迫响应信号、调节激素合成和细胞壁重建来增强耐盐性。

3.5. 外源硅上调与耐盐性相关的基因

具体而言，外源硅上调了多个与耐盐直接相关的基因，包括编码热激蛋白、钠氢交换体（NHX） 和己糖转运蛋白的基因。同时，硅处理还上调了参与乙烯（ET） 和脱落酸（ABA） 生物合成、细胞壁生物合成（如木葡聚糖内转葡糖苷酶/水解酶XTH基因）以及木质素分解代谢（如漆酶基因）的关键基因。这些基因的上调可能与改善离子平衡、激素信号、细胞壁加固和木质化有关。

3.6. KEGG富集分析

KEGG通路分析显示，Na+Si与Na之间的DEGs显著富集于4条通路，其中“MAPK信号通路-植物”尤为突出。该通路中的所有5个相关基因均被外源硅上调。MAPK通路在植物胁迫适应和调节ROS相关基因表达中起关键作用，这为外源硅降低ROS含量提供了分子解释。

3.7. 转录因子差异表达基因的表达模式分析

研究发现，外源硅处理上调了多个转录因子家族基因的表达，其中AP2/ERF家族成员最多，其次是WRKY和NAC家族。这些转录因子是调控下游胁迫响应基因的关键，它们的上调表明外源硅可能通过激活广泛的转录重编程来增强番茄的盐胁迫耐受性。

3.8. qRT-PCR验证基因表达

通过qRT-PCR对8个选定的基因（包括激素相关基因、盐胁迫响应基因和转录因子基因）进行表达验证，其结果与RNA-seq数据趋势一致，证实了转录组分析结果的可靠性。

在讨论部分，研究人员将本研究结果与已有文献进行了对比和阐释。生理指标的结果与在许多作物中的发现一致，证实了外源硅在缓解盐胁迫生长抑制、减少氧化损伤、提高光合性能和渗透调节物质脯氨酸含量方面的积极作用。关于硅对根系生物量的促进作用可能与栽培介质有关。转录组学分析首次在番茄根系中系统揭示了外源硅调控盐胁迫响应的分子网络。特别重要的是，硅处理上调了钠氢交换体（NHX） 基因，这可能有助于Na⁺的外排或区隔化，而下调了钾通道基因AKT1，暗示在钠毒性缓解后细胞对钾的紧急摄取需求降低。激素相关基因（如ABA生物合成的NCED基因、乙烯生物合成的ACS基因、细胞分裂素响应的CYCD3基因）的上调，表明植物激素信号可能在硅介导的耐盐性中扮演协调角色。细胞壁相关基因（XTH、漆酶）的上调提示硅可能通过增强细胞壁的修复和加固来帮助植物抵御胁迫。MAPK通路基因的上调为硅降低ROS水平提供了可能的信号传导机制。多种胁迫相关转录因子（如WRKY3、WRKY16、NAC36及多个ERF）的上调，表明硅激活了一个广泛的转录调控程序，从而协调了多层次的胁迫防御反应。这些发现深化了对硅，特别是其对低硅积累型作物作用机制的理解。

结论

本研究结合生理学和转录组学分析，探讨了外源硅在增强番茄幼苗耐盐性中的作用。生理上，外源硅缓解了盐胁迫对番茄生长的抑制，显著降低了根系中MDA和ROS水平，同时提高了叶绿素和脯氨酸含量。在分子水平上，RNA-seq分析在Na+Si与Na处理间鉴定出435个DEGs，其中397个上调。这些上调基因显著富集于盐胁迫响应、激素（ET、ABA）生物合成、木质素分解代谢、细胞壁生物合成以及MAPK通路等相关过程。此外，外源硅还上调了多个关键转录因子家族基因。总之，本研究初步揭示了受外源硅处理影响的候选基因和代谢途径，可能为提高番茄对盐胁迫的适应性提供策略。