武汉植物园在草坪草响应高温胁迫及高温诱导叶片衰老的分子机制研究中取得进展
高羊茅是绿期相对较长、应用最广泛的冷季型草坪草之一，其适宜生长温度为15-25℃，较高的温度会导致叶片提前衰老，严重影响高羊茅的草坪质量及观赏价值。然而，随着温室效应日益加剧，我国长江中下游地区夏季经常出现38℃以上极端高温，且持续时间较长。夏季高温伤害被认为是利用和推广高羊茅的主要限制因子。因此，研究高羊茅应答高温胁迫的分子机理，可为培育耐高温品种提供科学依据，使四季常绿草坪草成为可能。
高羊茅为异源六倍体，基因组庞大且复杂，目前仍未有参考基因组信息，而二代转录组的读长缺陷易导致高羊茅基因的拼接不准确，严重阻碍了高羊茅响应高温分子机理的研究。因此，本研究利用三代结合二代转录组测序，对‘猎狗5号’短期高温（38℃，1h）、长期高温（38℃/33℃，72h）和自然衰老的叶片进行转录组分析。结果发现（图1），短期高温显著诱导大量热激蛋白（HSPs）和热激转录因子（HSFs）的表达，约占差异基因的一半，并特异性的诱导FK506结合蛋白（FKBPs），钙信号通路相关基因、谷胱甘肽S-转移酶基因（GSTs），光合作用相关基因及植物激素信号转导基因的表达。与短期高温不同，长期高温仅诱导了少量HSPs和HSFs的表达，且51.67%的长期高温响应基因与衰老响应基因重叠，包括上调表达的叶绿素代谢基因、植物激素合成及降解基因、胁迫相关基因及NAC转录因子，和下调表达的光合作用相关基因、FK506结合蛋白和过氧化氢酶（CAT）。随后，分别对瞬时转化短期高温特异诱导的FaHsFA2a及长期高温和衰老共同诱导的FaNAC029和FaNAM-B1的烟草进行高温处理，发现与对照相比，过表达FaHsFA2a显著降低高温引起的细胞膜损害，而过表达FaNAC029和FaNAM-B1加重了热处理条件下烟草细胞膜的损坏。此外，我们发现大量响应高温胁迫及衰老的基因发生了可变剪切（AS），包括HSPs、HSFs和激素合成及信号转导基因。基于以上结果，我们推测短期高温通过激活热响应基因的表达提高高羊茅的耐高温能力，而长期高温引发衰老相关基因的表达，导致高羊茅叶片的提前衰老。研究结果为探究高羊茅响应高温胁迫及高温诱导的衰老分子机制提供了基本信息，也为高羊茅耐高温育种提供了候选基因。
研究成果以“SMRT and Illumina RNA sequencing reveal novel insights into the heat stress response and crosstalk with leaf senescence in tall fescue”为题，发表于国际学术期刊《BMC Plant Biology》。该研究由深圳大学、中科院武汉植物园及中南民族大学共同合作完成，武汉植物园曹丽雯博士为共同第一作者，陈良研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程项目、中科院科技扶贫专项和中科院先导专项等资助。（文章链接：https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-020-02572-4）
图1 高羊茅应答高温胁迫及衰老的分子机制
