ENVIRON EXP BOT | 姜玉萍/聂文锋组联合研究用转录组+代谢组学揭示光照对番茄的影响机制

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2021年2月21日上海应用技术大学姜玉萍和扬州大学聂文锋教授课题组在Environmental and Experimental Botany期刊发表的题为“Decreased low-light regulates plant morphogenesis through the manipulation of hormone biosynthesis in Solanum lycopersicum”的研究成果，运用转录组学和靶向代谢组学方法对植物生长参数测定、光合系统检测研究。发现显著降低光密度后，植物形态改变、生长明显受到抑制，其光合作用也受到抑制。进一步研究发现，植物激素在植物适应低光环境中具有重要作用，为光照对植物的影响以及植物在低光环境的适应机制研究提供了部分理论依据。可为提高农业生产中的光能利用效率、调节光强介导的生物量和防御提供指导。

光照对植物至关重要，在植物生长的整个过程都具有重要作用。光强度的变化对植物生理及细胞生物学等多个方面具有巨大影响，光强度水平和光谱质量直接决定了植物细胞发展过程中的能量。同样，植物本身也可随时监测、感受光的强度和性质差异，从而做出适应性改变。虽然对园艺植物光的感知和调节之间的联系已有广泛研究，但对于植物对不同光密度的变化适应机制，尤其是低光照时植物的适应机制研究较少。

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说明:

100%光照：在人工光照培养箱中培养，最大光照为312.5μmol photons m⁻² s^-1；

80%光照：在最大光强为在最大光强为80%的人工光照培养箱中培养，250 μmol photons m⁻² s^-1；

67%光照：在人工光照培养箱中生长，最大光强为67%，光强为209 250 μmol photons m⁻² s^-1；

40%光照：在人工光照培养箱中生长，最大光强为40%，光强为125 μmol photons m⁻² s^-1；

1. 光照对植物形态的影响

显著降低光照2周后，40%光密度下，植物根茎更细，叶片较少且更加分散；而轻微降低光照，80%和67%光照下，植物形态相差不大（图1）；但相比对照组，处理组的鲜枝和干枝重量均较低（图2）；表明40%光照下，番茄的生长和形态受到严重抑制。

图1 | 处理2周后番茄植株生长状态

图2 | 处理2周后4种不同光密度下生长的植物参数值

2.降低光照后，植物光合作用的变化

使用Li-6400便携式光合系统检测叶片气体交换、叶绿素荧光、光响应曲线和CO₂响应曲线，以确定不同光照下，植物光合作用的变化，结果显示，与对照组相比，处理组的日净光合速率、气孔导度和蒸腾作用的平均值均显著降低，40%组的光响应效率和CO₂浓度显著低于其他组（图3），表明大幅度降低光照后，植物的光合作用受到抑制。

图3 | 不同组之间光响应曲线和CO2响应曲线

3. 生物信息学分析差异化表达基因

提取总RNA后，将符合条件的样本制备文库，随后用DESeq（2012）进行差异基因表达分析，并用GO和KEGG进行功能富集。选择了40%、80%和100%三组的数据进行分析，结果显示，80%和100%两组之间差异化基因少于40%与80%、40%与100%的差异化基因（图4 a），三组有19个差异化基因共有（图4 b）。功能富集显示，有17条信号通路与植物激素相关（图5）。

图4 | 不同组之间差异化表达的基因

图5 | 不同光照下差异化基因的GO富集分析

4.通过HPLC-ESI-MS/MS检测植物激素的含量

为进一步探讨降低光照后，植物激素的变化，作者将植物冷冻后制样进行高效液相质谱（靶向代谢组学）分析，检测水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、玉米素（ZT）、1-氨基环丙烷羧酸（ACC）、生长素（IAA）、脱落酸（ABA）这六种激素的含量，结果显示，处理组的SA、JA、ZT均显著降低，而ACC增进，IAA和ABA的变化呈现波动趋势，80%光照下降低，40%光照下又回升（图6），表明光照可调节MAPK和生物相关的植物激素，同时存在其他机制进行补偿。

图6 | 不同光照下，植物中6种激素含量检测

作者研究运用转录组学、靶向代谢组学研究表明，植物番茄随着光照的降低，植物生物量也会随之改变，同时还有植物形态、茎直径和节间长度等。降低光照后主要诱导的差异基因主要参与植物激素信号传导，引起JA、SA、ZT和ACC的改变。因此在由于种植过密或空气污染所导致的光照降低时，也许可采取SA和JA作为补偿策略。

本篇是运用转录组学和靶向代谢组学（植物激素）研究方面非常典型的文章，对预防弱光环境条件引起的生物胁迫研究对提高农业生产中的光能利用效率、调节光强介导的生物量和防御提供重要的指导价值。同时，本篇研究实验思路完整，实验设计新颖，发现了低光照下的植物激素改变，值得借鉴和仔细阅读。

参考文献：

1.Ding, X.T., Jiang, Y.P., He, L.Z., Zhou, Q., Yu, J.Z., Hui, D.F., Huang, D.F., 2016.

Exogenous glutathione improves high root-zone temperature tolerance by

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3.Jing, Y., Lin, R., 2020. Transcriptional regulatory network of the light signaling

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Kawashima, S., Okuda, S., Tokimatsu, T., et al., 2008. KEGG for linking genomes to

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马路上的一颗石头  撰文

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