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摘要：本研究通过比较转录组分析和生化实验探讨了Mel增强植物耐镉性的分子机制。结果表明，与对照相比，经Mel预处理的紫花苜蓿根系中有7237个差异基因（DEGs）受到镉胁迫的调控。此外，与Cd单独胁迫相比，Mel处理使 1081 DEGs上调表达， 1085
DEGs下调表达。这些DEG主要参与基因的转录和翻译、蛋白质的折叠、排序和降解、碳水化合物的代谢以及激素信号网络。Mel的应用调控了几个编码核糖体蛋白和E3泛素蛋白连接酶的基因的表达，这些基因参与蛋白质的折叠、分选和降解。转录组学分析表明，Mel可能调控果胶裂解酶、UDP-葡萄糖脱氢酶、蔗糖磷酸合成酶、己糖激酶-1和蛋白磷酸化等糖代谢相关基因的表达。因此，这可能促进了蔗糖的积累，从而减轻了Cd的伤害。以上结果为Mel缓解紫花苜蓿Cd耐性的重要基因的挖掘和遗传育种提供了分子基础。
文 章 信 息
译名：转录组学分析为褪黑素介导的紫花苜蓿( Medicago sativa L
. )镉耐受的分子机制提供了见解
发表时间：2024年04月27日
期刊IF：6.2（2023）
第一单位：合肥工业大学食品与环境学院
通讯单位：合肥工业大学食品与环境学院
文 章 亮 点
1. 镉(
Cd )是一种有毒元素，经常对植物的生长发育造成严重威胁。研究发现褪黑素(
Melatonin，Mel
)通过降低Cd积累，重建氧化还原平衡来缓解Cd胁迫。
2. 褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基三甲胺，MEL)于1958年首次在牛松果体中发现，在动物和植物中都具有重要的功能和生理意义。
文 章 简 介
1 研究意义
镉(
Cd )是一种有毒元素，经常对植物的生长发育造成严重威胁。然而，Mel如何调节植物体内的代谢活动来响应Cd胁迫尚不清楚，揭示了提高紫花苜蓿对Cd耐性的复杂调控网络是一个巨大的挑战。因此，有必要深入挖掘胁迫诱导基因，以提高对紫花苜蓿响应Cd胁迫的分子机制的认识。本研究通过转录组分析进一步探讨了Mel介导的镉耐性的分子机制，为进一步了解Mel调控的紫花苜蓿耐镉基因的挖掘及遗传育种奠定基础。2 研究方法
2.1植物材料
本研究选择3
d龄的幼苗在含或不含50 μM Mel的1/4 Hoagland溶液中培养24
h，然后转移到含或不含100 μM CdSO4（Cd）的1/4
Hoagland溶液中培养24
h或48 h。对照幼苗（Con）仅在四分之一浓度的Hoagland溶液中生长。处理后，立即收集根和茎部分，并在液态氮中速冻，储存在−80 ° C下进行进一步分析。2.2试验方法
主要涉及的试验方法：RNA分离、Illumina测序和数据分析；葡萄糖、果糖和蔗糖含量的测量。3 研究结果
3.1 紫花苜蓿根转录组学特征及差异表达基因分析
结果显示，Con与Mel→Con中有3904个（2546个上调和1358个下调）DEGs，Con与Cd中有7837个（5228个上调和2609个下调）DEGs，Con与Mel→Cd中有7237个（4382个上调和2855个下调）DEGs（图1A）。此外，在Cd与Mel→Cd中有2166个DEGs（1081个上调和1085个下调）（图1A）。为了研究共表达和独特表达的DEGs的数量，通过韦恩图可以看到共有2252、2757、2047和947个基因分别在Con与Mel→Con、Con与Cd、Con与Mel→Cd和Cd与Mel→Cd中特异性表达（图1B）。有2823个DEGs被Mel处理诱导（图1B）。此外，层次聚类分析还显示了不同处理组中DEGs表达水平的变化趋势（图1C）。3.2 DEGs的功能富集分析
DEGs在Con→Mel→Con中的富集主要集中在细胞外区、膜、转录调节、蛋白泛素化和氧化还原等过程。在Con vs. Cd和Con
vs. Mel→Cd中，富集的途径类似，但DEGs数量和表达水平不同，说明其生物合成和代谢活动的不同。此外，基于KEGG途径的富集分析选择具有最小FDR值的前20个途径分类，比较根中的Con、Mel→Con、Cd和Mel→Cd鉴定DEGs（图2）。与Cd/Con和Mel→Cd/Con相比，与类黄酮和黄酮类化合物生物合成、苯丙烷类化合物生物合成、谷氨酰胺代谢、氨基酸代谢、光合-触角蛋白、苯丙氨酸代谢、亚麻酸代谢、泛醌和其它萜类-醌类化合物生物合成等20条途径相关的DEGs明显富集，与核糖体、谷胱甘肽代谢、嘧啶代谢、半乳糖代谢、苯丙烷类和油菜素内酯生物合成途径在Mel→Cd和Cd处理组中显著富集。这些结果表明，苜蓿对外源金属离子的耐受性可能存在几条新的途径。3.3参与转录、翻译、折叠、排序和降解等遗传过程的关键DEGs
GO和KEGG分析显示，Mel调节的DEGs富集于核糖体、转录调节和剪接体途径。Mel→Cd胁迫显著提高核糖体、核质运输、RNA聚合酶和剪接体基因的表达，与单独Cd胁迫相比，表现出不同的转录变化（图3A）。如图3B，可以发现参与蛋白质输出和加工、泛素介导的蛋白质水解和蛋白酶体的许多DEGs被显著富集。这些基因中的大多数在Mel→Con或Cd单独胁迫下被诱导表达，如后期促进复合物亚基8、E3泛素蛋白连接酶SINA-like 10和RMA 1H 1、SKP 1-like蛋白连接酶14等的表达。此外，还有几个编码加工肽酶、SKP 1-like蛋白21和ras-基团相关的LRR蛋白的基因被Cd诱导表达，而这些基因不受Mel→Con的影响。![]()
3.4参与碳水化合物代谢的关键DEGs
通过鉴定编码碳水化合物代谢的DEGs，发现半乳糖代谢基因在Mel→Con或Mel→Cd胁迫下表达上调，而在单独Cd胁迫下表达下调。乙醛酸和二羧酸代谢的DEGs变化趋势相反。在戊糖和葡萄糖醛酸相互转化代谢中，Mel→Con使果胶裂解酶的4个DEG表达上调，单独Cd胁迫使其表达下调。另外，果胶酯酶抑制剂47和多聚半乳糖醛酸酶基因分别受到Cd胁迫和Mel→Con的诱导。在淀粉和蔗糖代谢中，Mel→Con显著上调蔗糖磷酸合成酶2基因表达，单独Cd胁迫进一步增强蔗糖磷酸合成酶2基因表达。与Cd处理相比，Mel→Cd处理使大部分β-葡萄糖苷酶和内切葡聚糖酶基因表达上调。然而，编码葡萄糖-1-磷酸腺苷酰转移酶、糖苷水解酶家族1蛋白和颗粒结合淀粉合成酶1的基因则表现出相反的趋势。此外，与Cd胁迫相比，Mel→Cd胁迫上调了己糖激酶-1和果糖二磷酸醛缩酶基因的表达，下调了果糖和甘露糖代谢中的木糖异构酶和焦磷酸果糖6-磷酸1磷酸转移酶基因的表达（图4A）。为了进一步提供碳水化合物代谢在Mel介导的镉耐受中的作用，测定了葡萄糖、果糖和蔗糖含量。结果表明在Cd胁迫下，根系中葡萄糖和果糖含量均增加，而蔗糖含量降低（图4B）。与镉单独胁迫相比，Mel处理降低了葡萄糖和果糖的含量，提高了蔗糖的含量。这些结果可以得出，碳水化合物代谢尤其是蔗糖代谢可能是苜蓿耐镉性的重要调控因子。![]()
3.5 参与信号网络的关键DEGs
筛选了激素信号网络中的几个重要基因，如IAA 6、GH3.6和ERF 1B（图5）。发现在Mel→Con或Mel→Cd处理下，脱落酸受体PLY 4基因的表达下调，而这些处理明显诱导了IAA 6和IAA
9基因的表达。而且，Mel→Con或Mel→Cd胁迫均上调了4个吲哚-3-乙酸酰胺合成酶基因的表达，而单独Cd胁迫对这4个基因的表达没有影响或下调。与此类似，编码富含半胱氨酸的分泌蛋白和几丁质酶的基因也呈现出相似的变化趋势。而ARR 5和ARR
8基因的变化则相反。此外，Mel预处理下调了编码蛋白激酶CAMK-OST 1 L和LRR受体样蛋白激酶ERL 1的基因的表达。这些结果表明，ABA和生长素信号转导途径可能参与了Mel诱导的紫花苜蓿镉耐性。![]()
4 讨论
镉（Cd）严重影响植物生长，导致农业损失。Mel通过调控基因，如抗氧化酶、金属转运蛋白和核糖体合成，提升植物对Cd的耐性。研究表明，Mel可改善紫花苜蓿的Cd耐性，揭示其分子机制至关重要。Cd胁迫下，核糖体和DNA复制途径下调，MEL预处理增强相关基因表达，如核糖体蛋白、E3泛素蛋白连接酶等。E3酶可能在MEL调节根系生长和Cd应答中发挥作用，未来需进一步研究其功能。碳水化合物代谢途径如蔗糖和葡萄糖代谢对植物耐Cd有重要作用。MEL调节相关基因如SUS、HK和ALDO，支持碳水化合物代谢平衡，从而增强紫花苜蓿的Cd耐性。蔗糖代谢受光合作用影响，值得进一步研究。植物激素如JA、IAA、ABA和生长素在Cd胁迫反应中起重要作用。Mel通过调控ABA和生长素相关基因（如PYL4、IAA6、IAA9、GH3）影响Cd耐性。激素信号转导和ROS、MAPK信号交叉调控Cd耐性，需进一步研究。5 结论
RNA-seq分析表明，与Cd单独胁迫相比，Mel同时上调或下调了根系中2166个DEGs。这些DEGs主要参与基因的转录和翻译、蛋白质的折叠、排序和降解、碳水化合物的代谢以及激素信号网络。进一步的研究表明，蔗糖代谢参与了Mel胁迫诱导的镉耐性，提高了紫花苜蓿对Cd的耐受性。总之，本研究揭示了Cd污染的分子生物学途径，揭示了若干重要的候选基因，为区域Cd污染的植物修复提供了新思路。此外，Mel对植物耐镉性的影响还有待于进一步深入研究。Reference：
Quan Gu, Chenyang
Xie, Song Zhang, Tingyan Zhou, Na Li,
Congshan Xu, Zhou Zhou, Chuyan Wang, Ziping Chen. Transcriptomic analysis
provides insights into the molecular mechanism of melatonin-mediated cadmium
tolerance in Medicago sativa L.. Ecotoxicology and Environmental Safety,
2024, 278, 116411.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2024.116411
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生刘月
