大豆叶片响应CO_(2)浓度升高、干旱及其交互作用的转录组分析

摘要

气候变暖及大气CO_(2)浓度升高成为全球共识,由此增加极端天气气候事件(干旱)发生的频率和强度并对大豆生产带来不确定性。本研究通过大豆表型和叶片转录组测序(RNA-seq)分析,阐释CO_(2)浓度升高、干旱及其交互条件对大豆基因表达影响,明确CO_(2)浓度升高影响大豆耐旱性的调控途径,并在两个不同遗传背景品种中验证,从分子水平为未来气候变化背景下大豆抗旱育种提供理论参考。表型结果表明,CO_(2)浓度升高促进了大豆的生长并缓解干旱胁迫的负面效应。叶片转录组测序分析共筛选到89个CO_(2)响应基因,KEGG分类显示这些基因主要参与抗氧化物质(萜类、黄酮类等)代谢,同时特异性差异表达基因功能主要集中在细胞组分和生长发育方面。干旱条件下筛选的1006个差异表达(16倍)基因主要参与各类氨基酸(脯氨酸、色氨酸等)代谢途径,绝大多数蛋白质合成与转运相关基因上调,表明干旱胁迫下大豆叶片内物质合成交换过程加强。交互条件下筛选出的8566个差异表达基因主要参与碳水化合物代谢,光合作用-天线蛋白途径的相关基因几乎全部下调表达,表明交互条件下大豆光合能力下降。34个基因在3种条件下均差异表达,这些基因主要集中在抗氧化物质(黄酮类物质、谷胱甘肽、苯丙素等)代谢方面,且多数参与各类植物激素代谢和刺激响应。6个具有抗旱性功能的差异表达基因在两个不同遗传背景品种中的qRT-PCR结果说明RNA-seq数据准确。总之,CO_(2)浓度升高提高了大豆叶片抗氧化物质代谢和生长发育相关基因的表达;干旱胁迫诱导各类氨基酸代谢和蛋白质合成途径相关基因表达;交互条件下大豆光合能力受限,CO_(2)浓度升高主要通过调控激素代谢、抗氧化物质(抗氧化酶类、黄酮类、苯丙素等)代谢、碳水化合物代谢等途径提高大豆对干旱胁迫的耐受性。