近日，吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳研究团队在国际知名期刊Industrial Crops & Products在线发表了题为“Exploring the molecular mechanisms of melatonin-induced tolerance to salt-alkali stress in Populus cathayana × canadansis ‘Xinlin 1′”的研究论文。该研究通过转录组和代谢组学分析，对不同浓度褪黑素处理下，新林1号杨抗盐碱胁迫的分子调控机制进行了解析。
新林1号杨（Populus cathayana × canadansis ‘Xinlin 1’）是1999年沈阳市新民市国有机械林场在无性系对比试验林中选育的优良无性系，属于青杨和加拿大杨杂交子代，雄株。其树干通直，树冠冠型圆满，侧枝多、细小紧密，叶片近楔心形，树皮灰绿色，树形美观，生长速度快，抗寒性强，根蘖能力强，扦插繁殖易成活，顶芽萌动期早、落叶期晚，轮伐期短，材质好，是纸浆材和板材的优良原材料。然而，有关其耐盐碱胁迫相关的调控机制尚不清楚。本团队利用不同浓度（0μm，100μm，800μm）褪黑素处理，探究了新林1号杨抗盐碱胁迫的主要调控机制。通过转录组和代谢组学分析，进一步解析了褪黑素在盐碱胁迫中的关键作用，为褪黑素在提高杨树抗盐碱胁迫能力方面的应用提供了新的见解。
1. 褪黑素在新林1号杨抗盐碱胁迫中的转录组学分析
转录组结果显示，共鉴定出13970个差异表达基因（DEGs），其中以C100 vs. C800组最多，有11187个DEGs（上调4833个，下调6354个）；其次是CK vs. C800组，有9546个DEGs（上调4016个，下调5530个）。CK vs. C100组共鉴定出5450个DEGs，其中上调2664个，下调2786个。值得注意的是，三个处理组间共有1801个共同的DEGs。综上所述，褪黑素显著影响了盐碱胁迫下杨树基因的表达水平。KEGG富集分析结果显示，CK vs. C100、CK vs. C800、C100 vs. C800分别富集了139、146和145条代谢通路。其中，次生代谢物生物合成、代谢途径、光合天线蛋白、MAPK信号通路、植物激素信号转导和类黄酮生物合成是最普遍和富集程度最高的通路。
图1 差异表达基因的鉴定及功能富集
2. 褪黑素在新林1号杨抗盐碱胁迫中的代谢组学分析
代谢组学分析共鉴定出621种代谢物（DEMs），其中三个处理组中均含有香草酸、棉黄素-3-O-(6''-丙二酰)葡萄糖苷、异奥卡宁-7-O-葡萄糖苷、苜蓿素-4'-O-(β-愈创木酰甘油)醚-7-O-葡萄糖苷。在CK vs. C100和C100 vs. C800组KEGG富集分析中，类黄酮生物合成途径富集程度最高。有趣的是，苯丙氨酸代谢是类黄酮生物合成途径的第一步，在CK vs. C800组中是最富集的途径。
图2 差异代谢物的鉴定及功能富集
3. 抗氧化酶相关基因的鉴定
抗氧化酶是评估非生物胁迫适应性和耐受性的重要指标，因此我们筛选了褪黑素处理后编码杨树抗氧化酶相关基因的表达水平。本研究共发现过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽还原酶（GR）、硝酸盐还原酶（NR）和钙依赖性蛋白激酶（CDPK）相关基因65、8、6、3、5和1个。每个基因的表达水平在三种处理中表现出不同程度的表达。
图3 抗氧化酶相关基因的表达谱
4. 植物激素信号转导、褪黑素生物合成、类黄酮生物合成相关的DEGs和DEMs表达谱
为了探究褪黑素对植物生长激素稳态的影响，我们鉴定了与植物激素信号转导通路相关的DEGs。结果显示，生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、乙烯（ETH）、油菜素内酯（BR）、茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）通路相关基因的表达水平发生了显著改变。褪黑素的生物合成是一个复杂的过程，几个关键调控基因（ICS、AS、TS、TDC、T5H、SNAT和COMT）在三个处理组中差异显著，说明褪黑素生物合成途径中DEGs的表达模式可能是调控杨树褪黑素含量的重要因素之一。黄酮类化合物是植物最丰富的次生代谢产物之一，可增强植物对生物和非生物胁迫的适应潜力和耐受性。本研究共鉴定出50个差异表达基因和5个代谢产物参与类黄酮生物合成，在C100和C800处理中几乎所有基因都高度上调。黄酮类化合物是杨树中具有较高抗氧化活性的化合物，在CK、C100和C800三个处理中，只有柚皮素含量随褪黑素的施用而增加，且在C800处理时达到最大值。另一方面，山奈酚、杨梅素、二氢槲皮素和柚皮素查尔酮在CK中含量最高。
图4 植物激素信号转导通路
图5 褪黑素生物合成通路
图6 类黄酮生物合成通路
5. 总结
褪黑素处理增强了盐碱胁迫下杨树的光合作用和抗氧化酶途径相关基因的表达，并通过调节植物激素信号转导通路、褪黑素生物合成通路和类黄酮生物合成通路的相关基因，提高杨树的耐受性。研究结果不仅有助于进一步了解褪黑素在盐碱胁迫中的作用，也为其在提高杨树抵抗非生物胁迫方面的应用提供了理论依据。
该论文通讯作者为吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授和韩锐讲师，博士研究生李岩为论文第一作者。本研究得到了国家重点研发计划“青杨类大径级工业资源材高效培育技术研究”（2021YFD2201204）的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.118638
