2024-04-29
一、研究背景
土壤盐渍化是一个严重的环境因素，它会影响种子发芽、作物生长和生产力。全球有超过9亿公顷的土地受到过量盐分的影响（其中约三分之一为用于农业灌溉的土地），这个问题由于气候变化和人类活动而不断恶化，导致每年损失高达273亿美元。因此，解决土壤盐渍化问题是保护农业生产、粮食安全以及生态环境的重要任务。盐渍化对植物的影响主要表现在两个方面：一是由于盐渍土中水分供应不足，导致植物缺水；二是由于Na+和Cl-在植物体内积累过多，产生毒性作用。此外，盐渍土还常常表现出较高的土壤密封性，使得植物地下缺乏氧气（O2）。随着全球人口的增长，预计到2050年世界人口将达到97亿人，因此需要开发更多的土地用于农业，并培育耐盐植物以满足不断增长的食物需求。因此，研究植物如何响应并适应盐胁迫的机制变得至关重要。
二、盐胁迫研究目的 ✅全面解析植物对盐胁迫的响应机制：通过综合分析基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等多层次的信息，盐胁迫多组学研究能够揭示植物在盐胁迫条件下的基因表达、蛋白质合成和代谢变化等复杂过程。这有助于我们全面理解植物如何适应和应对高盐环境，从而发现关键基因和代谢途径，为作物耐盐性的改良提供理论依据。 ✅发现耐盐相关基因和标记：盐胁迫多组学研究可以通过比较不同耐盐性植物在盐胁迫下的基因表达和蛋白质变化，发现与耐盐性相关的基因和蛋白质标记。这些标记可以用于筛选和培育耐盐性强的作物品种，为农业生产提供耐盐性更好的种质资源。 ✅揭示盐胁迫对植物生理生态的影响：通过多组学研究，可以深入了解盐胁迫对植物生理生态过程的影响，如光合作用、呼吸作用、离子平衡等。这有助于我们评估盐胁迫对植物生长发育和产量的影响，为制定有效的土壤改良和治理措施提供依据。 ✅推动农业生物技术的发展：盐胁迫多组学研究不仅有助于理解植物耐盐机制，还可以为农业生物技术的发展提供新的思路和方法。例如，通过基因编辑技术调控关键耐盐基因的表达，可以培育出具有更高耐盐性的作物品种；利用蛋白质工程技术改进植物在盐胁迫下的蛋白质功能，可以提高作物的抗逆性和产量。
三、多组学在盐胁迫研究中的应用方向 多组学的联合分析，使得我们能够更全面地理解盐胁迫下的生命现象。通过整合基因组、微生物组、转录组、蛋白质组和代谢组的数据，有助于全面解析植物对盐胁迫的响应机制，为作物耐盐性的改良提供理论依据和实践指导。 ⏩基因组学：通过对不同盐胁迫条件下的植物进行基因组测序和比较，可以发现与耐盐性相关的基因变异和表达变化。这有助于确定耐盐基因的位置和功能，为后续的功能验证和基因工程改良提供基础。 ⏩微生物组：通过对盐胁迫条件下的植物根际微生物进行高通量测序，可以获得微生物群落的组成和结构信息。通过比较不同盐胁迫条件下的微生物组数据，可以揭示微生物与植物耐盐性之间的关系，发现对植物耐盐有促进作用的微生物种类。 ⏩转录组学：利用RNA测序技术，可以分析植物在盐胁迫下基因表达的变化。通过比较不同时间点和不同盐浓度下的转录组数据，可以揭示植物响应盐胁迫的转录调控网络，发现关键转录因子和基因。 ⏩蛋白质组学：通过蛋白质组学技术，如质谱分析和蛋白质芯片等，可以研究盐胁迫下植物蛋白质的表达和修饰变化。这有助于了解植物在盐胁迫下的蛋白质功能变化，发现与耐盐性相关的蛋白质标记和信号转导途径。 ⏩代谢组学：代谢组学可以通过分析植物在盐胁迫下的代谢产物变化，揭示植物响应盐胁迫的代谢途径和调控机制。通过比较不同盐胁迫条件下的代谢谱，可以发现与耐盐性相关的代谢物和代谢通路。 ⏩多组学整合分析：将基因组学、微生物组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的数据进行整合分析，可以揭示各层次信息之间的关联和互作。这有助于构建植物响应盐胁迫的综合模型，全面理解植物耐盐性的分子机制。
四、派森诺—多组学盐胁迫案例分享 案例一 转录组+16S多样性联合分析，揭示叶面应用CeO2 NMs提高盐胁迫下玉米产量：活性氧稳态和根际细菌调控 期刊：Environmental Pollution 影响因子：8.9/Q1 研究背景：缓解土壤盐渍化是一个紧迫的任务，因为随着人口增长、农田退化和淡水资源短缺的问题日益严重。目前，缓解盐渍化的主要方法包括耐盐作物育种、淡水灌溉等，但这些方法都存在时间和成本高以及公众不支持等问题。近年来，纳米技术被看作是一种有前途的工具来减轻盐渍化压力并提高农业生产力。然而，目前仍需要进一步研究纳米材料的直接抗氧化作用及其对植物内源抗氧化系统的影响机制。同时，还需要探讨纳米材料的生物利用度、移动性、转化途径及对生态环境的影响等问题。总之，纳米技术为解决盐渍化问题提供了新的思路和手段，但仍需深入研究以确定其实际效果和安全性。本研究针对全球范围内农业生产力和粮食安全受到盐胁迫威胁的情况。通过应用氧化铈纳米材料（CeO2 NMs）来缓解玉米（Zea may L.）在盐胁迫下的生长状况，并探究其机制。 多组学研究方法：转录组分析、16S多样性分析 研究路线及结果展示： 分析路线及结果图展示 研究结论： 本研究中，通过叶面喷施CeO2 NMs，以10、20和50mg/L的浓度缓解了盐胁迫。生长、光合作用和Na+/K+稳态数据表明，CeO2 NMs可以减轻盐胁迫的影响。转录组数据分析显示，CeO2 NMs下调与抗氧化防御系统相关的基因，表明在盐胁迫下，CeO2 NMs可以通过其内在的抗氧化酶特性清除自由基ROS。随后，在盐胁迫下，CeO2 NMs减少了玉米叶片细胞壁上的木质素沉积，并促进了细胞伸长。此外，CeO2 NMs的应用还可以招募HT-PGPR并刺激玉米生长。在成熟阶段（即玉米生命周期）的实验显示，相对于单独的盐胁迫，CeO2 NMs提高了玉米产量。因此，利用纳米材料的固有属性来改善盐胁迫和增加农作物产量是农业领域发展和应用纳米技术的一个有前途的策略。未来的研究应集中在田间试验上，以为农用纳米技术的应用提供足够的数据支持。 原文索引：Liu Y, Cao X, Yue L, Wang C, Tao M, Wang Z, Xing B. Foliar-applied cerium oxide nanomaterials improve maize yield under salinity stress: Reactive oxygen species homeostasis and rhizobacteria regulation. Environ Pollut. 2022 Apr 15;299:118900. doi: 10.1016/j.envpol.2022.118900. 案例二 转录组+代谢组联合分析，揭示盐胁迫对粘红酵母的类胡萝卜素产量的影响 期刊：Journal of Agricultural and Food Chemistry 影响因子：6.1/Q1 研究背景：类胡萝卜素是一组1100多种天然脂溶性色素分子，不仅可以用作天然着色剂，且具有促进健康的功效，在制药、食品、饲料和化妆品行业中已经有广泛的应用。粘红酵母ZHK是一种含油脂的红酵母，主要生产三种类胡萝卜素：圆酵母素、红酵母红素和β-胡萝卜素。相较于β-胡萝卜素，圆酵母素、红酵母红素的研究较少，近期有研究表明这两种类胡萝卜素具有很强的抗氧化性能、且表现出较强的维生素A原和抗前列腺癌活性。因此进一步提高圆酵母素和红酵母红素的产量具有商业应用价值。尽管有大量的文献介绍了环境因素对粘红酵母中圆酵母素和红酵母红素生物合成效率的影响，但盐胁迫的具体作用尚未研究。因此，本研究的主要目的是通过对转录组和代谢组的综合分析，研究盐胁迫对粘红酵母ZHK产生圆酵母素和红酵母红素的影响，并确定其分子机制。 多组学研究方法：转录组测序、代谢组学分析。 研究路线图及结果展示： 分析路线及结果图展示 研究结论： 本文研究了不同盐条件对粘红酵母胡萝卜素产量的影响。结果表明，在培养120 h后，中度盐胁迫(0.5和0.75 M NaCl) 处理的类胡萝卜素总量显著高于高度盐胁迫（1.0 M NaCl)和对照。其中，圆酵母素和红酵母红素的增加是类胡萝卜素总量增加的主要原因。转录组分析表明，盐胁迫可有效促进crtI基因的表达，这可以解释盐胁迫下类胡萝卜素和红酵母红素产量增加的分子机制。进一步的实验表明，类胡萝卜素、红酵母红素在抑制盐胁迫引起的异常活性氧中起重要作用。 原文索引：Li C, Cheng P, Li Z, Xu Y, Sun Y, Qin D, Yu G. Transcriptomic and Metabolomic Analyses Provide Insights into the Enhancement of Torulene and Torularhodin Production in Rhodotorula glutinis ZHK under Moderate Salt Conditions. J Agric Food Chem. 2021 Sep 29;69(38):11523-11533. doi: 10.1021/acs.jafc.1c04028. 案例三 转录组和蛋白质组分析对黄瓜盐胁迫代谢的调控 期刊：Frontiers in Plant Science 影响因子：5.6/Q1 研究背景：这篇文章的研究背景是关于H2S在黄瓜中的调控作用以及其对盐胁迫下代谢反应的影响。此前已有研究表明，H2S可以通过维持Na+/K+平衡和调节H2S代谢及氧化应激响应等方式减轻黄瓜受到的盐胁迫影响。然而，目前对于H2S在黄瓜中调节盐胁迫耐受性的分子机制仍知之甚少。因此，本研究旨在通过转录组和蛋白质组分析，探究H2S在黄瓜中调节盐胁迫耐受性的作用机制。 技术手段：转录组分析、蛋白组分析。 研究路线图及结果图展示： 分析路线及结果图展示 研究结论： 这篇文章的主要研究目的是探究在黄瓜中，硫化氢（H2S）如何通过转录组和蛋白质组分析来调节盐胁迫下的代谢反应。研究人员采用了RNA-seq和2-DE技术进行了全面的研究，并发现了11,761个差异表达基因（DEGs）和61个差异表达蛋白（DEPs）。通过对这些DEGs和DEPs的分析，他们发现H2S可以显著降低与碳水化合物代谢和植物病原体相互作用相关的DEGs的表达水平，同时增加与硫代谢、细胞防御和信号传导等途径相关的DEGs的表达水平。此外，蛋白质组学分析还显示了与硫代谢和细胞防御相关的变化，如半胱氨酸合成酶1、谷胱甘肽S转移酶U25样、蛋白二硫键异构酶和过氧化物酶2等。综上所述，该研究揭示了H2S在黄瓜中的调控机制，为进一步研究H2S在植物抗逆生理中的作用提供了新的思路。 原文索引：Jiang J, Ren X, Li L, Hou R, Sun W,Jiao C, Yang N and Dong Y (2020) H2S Regulation of Metabolism in Cucumber in Response to SaltStress Through Transcriptome and Proteome Analysis.Front. Plant Sci. 11:1283.doi: 10.3389/fpls.2020.01283
