科研论文丨真迈测序平台助力研究长江口芦苇对不同潮位的生理响应机制
时间:
2024-06-14
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文章梗概


近日,华东师范大学植物群落生态学团队与合作单位在国际期刊Frontiers in Plant Science(JCR Q1, IF 5.6)上发表题为“Ecophysiological responses of Phragmites australis populations to a tidal flat gradient in the Yangtze River Estuary, China”的研究成果。该研究主要关注芦苇对于不同潮位环境的适应性,发现了芦苇耐盐机制。芦苇是崇明东滩湿地的常见物种,可生长于各种潮滩环境,甚至是高盐环境。生态调查发现,在不同盐碱度的滩地中,芦苇种群生态表现特异。随即通过比较芦苇在低、中、高潮滩的功能性状及其对土壤理化性质的响应,探究芦苇的耐盐策略及其机理。结果表明,相对于茎高和干重,比叶面积和干物质含量等叶片特征对土壤盐分的稳定性更强。此外,随着盐胁迫的加剧,低滩地的叶片超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶体活性均呈上升趋势。基于真迈生物GenoLab M高通量测序平台对芦苇耐盐性的分子机制进行转录组测序,WGCNA结合差异表达基因(DEGs)筛选出与高耐盐密切相关的3个模块,鉴定出105个高耐盐关键核心基因。对于低潮滩地少数退化种群,通过WGCNA和DEGs组合鉴定出25个核心基因。在退化组中观察到铁死亡标志物gonyautoxin-4活性降低,Fe3+含量升高,表明铁死亡可能参与了种群退化。此外,关联分析表明耐盐性与铁死亡之间可能存在调控网络。该研究为芦苇种群耐盐机制的研究提供了新的思路。


背景介绍

滨海湿地是陆地与水生生态系统的过渡地带,为各类物种提供栖息地,却因人类活动与气候变化逐渐退化。尽管填海能提供土地资源,但会改变土壤性质,导致本土物种多样性丧失,更容易受到外来物种入侵,进而打破生态系统的平衡。湿地的恢复需要选择本地物种,而芦苇在构建和稳定生态系统方面的作用显著。鉴于其优异的抗逆性和维持湿地生态系统结构的关键作用,芦苇是生态修复材料的不二选择。由于其高度的种内多样性和良好表型可塑性,芦苇对非生物环境胁迫具有显著的适应能力。因此,它可以为植物对逆境的反应提供有价值的见解。


*以下为该研究成果解读

结果概要


01 RNA-seq分析发现芦苇盐胁迫相关基因

由于不同潮位的芦苇群体在耐盐性方面存在显著差异,研究人员利用转录组测序技术解析芦苇的耐盐机制。首先,过滤掉FPKM值小于20的低表达基因后,共获得57,163个基因,基于0~10厘米和10~20厘米土层的土壤盐浓度,使用WGCNA对这些基因模块进行了相关性分析,最终筛选出三个相关模块(棕色、深色和深橙色)。在这三个模块中,共有1070个基因被识别为与耐盐性相关的hub基因。进一步的GO和通路富集分析表明,这些基因显著富集于与内质网和盐胁迫反应相关的通路中,表明它们在调节芦苇的耐盐机制中发挥着重要作用。


科研论文丨真迈测序平台助力研究长江口芦苇对不同潮位的生理响应机制

图1 盐胁迫相关核心基因集筛选


02 生长退化核心基因集筛选

当斑块植被退化时,生物量、覆盖度、结构和物种多样性等植被指标会发生显著变化,这些变化与特定的核心基因有关。因此,该研究首先鉴定出三个基因模块(白色、深绿松色和淡绿松色)与生长退化显著相关。然后,将E组作为对照,与其他7个组进行比较,鉴定出7个差异表达基因集。这些基因集的交集包括117个上调基因和83个下调基因(图2A)。与WGCNA分析结果取交集共鉴定出25个共有基因(图2B),所有这些基因在E组中高表达(图2C)。通过构建相关网络,探讨了这些基因对植物生长和退化的影响,发现它们与铁死亡等GO term之间有显著关联(图2D)。

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图2 增长退化核心基因集筛选


03 探究盐胁迫与面积增长退化之间的关系

E组是一种特殊的芦苇种群,耐盐,生长在低潮滩,经历铁死亡,并陷入退化状态。这引起了研究人员对耐盐性和铁死亡之间关系的兴趣。105个耐盐相关基因和25个生长退化相关基因构建了一个相关网络(图3A)。基因MSTRG.45636和MSTRG.77624是复杂关联网络中的中心环节。为了进一步了解铁死亡和耐盐之间的交叉联系,研究者选择了与铁死亡和耐盐性相关的基因来构建网络。结果显示,基因MSTRG32506和MSTRG37791是网络中的关键节点,MSTRG.11651可能是潜在的核心基因(图3B)。此外,这些基因都在E组中高表达(图3C)。共表达分析结果表明芦苇的耐盐性与铁死亡有一定的关系。

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图3 耐盐基因与增长退化相关基因网络分析


结论

文章研究了不同潮位下芦苇的盐胁迫和表型的差异,为进一步研究植物细胞应对盐胁迫的分子机制提供了方向,铁死亡与盐胁迫的关系值得深入研究。


参考文献

Jia, Jing, et al. "Ecophysiological responses of Phragmites australis populations to a tidal flat gradient in the Yangtze River Estuary, China." Frontiers in Plant Science 15 (2024): 1326345.


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