近日，華東師範大(dà)學植物(wù)群落生态學團隊與合作單位在國際期刊Frontiers in Plant Science（JCR Q1, IF 5.6）上發表題爲“Ecophysiological responses of Phragmites australis populations to a tidal flat gradient in the Yangtze River Estuary, China”的(de)研究成果。該研究主要關注蘆葦對(duì)于不同潮位環境的(de)适應性，發現了(le)蘆葦耐鹽機制。蘆葦是崇明(míng)東灘濕地的(de)常見物(wù)種，可(kě)生長(cháng)于各種潮灘環境，甚至是高(gāo)鹽環境。生态調查發現，在不同鹽堿度的(de)灘地中，蘆葦種群生态表現特異。随即通(tōng)過比較蘆葦在低、中、高(gāo)潮灘的(de)功能性狀及其對(duì)土壤理(lǐ)化(huà)性質的(de)響應，探究蘆葦的(de)耐鹽策略及其機理(lǐ)。結果表明(míng)，相對(duì)于莖高(gāo)和(hé)幹重，比葉面積和(hé)幹物(wù)質含量等葉片特征對(duì)土壤鹽分(fēn)的(de)穩定性更強。此外，随著(zhe)鹽脅迫的(de)加劇，低灘地的(de)葉片超氧化(huà)物(wù)歧化(huà)酶、過氧化(huà)氫酶和(hé)過氧化(huà)物(wù)酶體活性均呈上升趨勢。基于真邁生物(wù)GenoLab M高(gāo)通(tōng)量測序平台對(duì)蘆葦耐鹽性的(de)分(fēn)子機制進行轉錄組測序，WGCNA結合差異表達基因(DEGs)篩選出與高(gāo)耐鹽密切相關的(de)3個(gè)模塊，鑒定出105個(gè)高(gāo)耐鹽關鍵核心基因。對(duì)于低潮灘地少數退化(huà)種群，通(tōng)過WGCNA和(hé)DEGs組合鑒定出25個(gè)核心基因。在退化(huà)組中觀察到鐵死亡标志物(wù)gonyautoxin-4活性降低，Fe³⁺含量升高(gāo)，表明(míng)鐵死亡可(kě)能參與了(le)種群退化(huà)。此外，關聯分(fēn)析表明(míng)耐鹽性與鐵死亡之間可(kě)能存在調控網絡。該研究爲蘆葦種群耐鹽機制的(de)研究提供了(le)新的(de)思路。

濱海濕地是陸地與水(shuǐ)生生态系統的(de)過渡地帶，爲各類物(wù)種提供栖息地，卻因人(rén)類活動與氣候變化(huà)逐漸退化(huà)。盡管填海能提供土地資源，但會改變土壤性質，導緻本土物(wù)種多(duō)樣性喪失，更容易受到外來(lái)物(wù)種入侵，進而打破生态系統的(de)平衡。濕地的(de)恢複需要選擇本地物(wù)種，而蘆葦在構建和(hé)穩定生态系統方面的(de)作用(yòng)顯著。鑒于其優異的(de)抗逆性和(hé)維持濕地生态系統結構的(de)關鍵作用(yòng)，蘆葦是生态修複材料的(de)不二選擇。由于其高(gāo)度的(de)種内多(duō)樣性和(hé)良好表型可(kě)塑性，蘆葦對(duì)非生物(wù)環境脅迫具有顯著的(de)适應能力。因此，它可(kě)以爲植物(wù)對(duì)逆境的(de)反應提供有價值的(de)見解。

01 RNA-seq分(fēn)析發現蘆葦鹽脅迫相關基因

由于不同潮位的(de)蘆葦群體在耐鹽性方面存在顯著差異，研究人(rén)員(yuán)利用(yòng)轉錄組測序技術解析蘆葦的(de)耐鹽機制。首先，過濾掉FPKM值小于20的(de)低表達基因後，共獲得(de)57,163個(gè)基因，基于0~10厘米和(hé)10~20厘米土層的(de)土壤鹽濃度，使用(yòng)WGCNA對(duì)這(zhè)些基因模塊進行了(le)相關性分(fēn)析，最終篩選出三個(gè)相關模塊（棕色、深色和(hé)深橙色）。在這(zhè)三個(gè)模塊中，共有1070個(gè)基因被識别爲與耐鹽性相關的(de)hub基因。進一步的(de)GO和(hé)通(tōng)路富集分(fēn)析表明(míng)，這(zhè)些基因顯著富集于與内質網和(hé)鹽脅迫反應相關的(de)通(tōng)路中，表明(míng)它們在調節蘆葦的(de)耐鹽機制中發揮著(zhe)重要作用(yòng)。

圖1 鹽脅迫相關核心基因集篩選

02 生長(cháng)退化(huà)核心基因集篩選

當斑塊植被退化(huà)時(shí)，生物(wù)量、覆蓋度、結構和(hé)物(wù)種多(duō)樣性等植被指标會發生顯著變化(huà)，這(zhè)些變化(huà)與特定的(de)核心基因有關。因此，該研究首先鑒定出三個(gè)基因模塊（白色、深綠(lǜ)松色和(hé)淡綠(lǜ)松色）與生長(cháng)退化(huà)顯著相關。然後，将E組作爲對(duì)照(zhào)，與其他(tā)7個(gè)組進行比較，鑒定出7個(gè)差異表達基因集。這(zhè)些基因集的(de)交集包括117個(gè)上調基因和(hé)83個(gè)下(xià)調基因（圖2A）。與WGCNA分(fēn)析結果取交集共鑒定出25個(gè)共有基因（圖2B），所有這(zhè)些基因在E組中高(gāo)表達（圖2C）。通(tōng)過構建相關網絡，探討(tǎo)了(le)這(zhè)些基因對(duì)植物(wù)生長(cháng)和(hé)退化(huà)的(de)影(yǐng)響，發現它們與鐵死亡等GO term之間有顯著關聯（圖2D）。

圖2 增長(cháng)退化(huà)核心基因集篩選

03 探究鹽脅迫與面積增長(cháng)退化(huà)之間的(de)關系

E組是一種特殊的(de)蘆葦種群，耐鹽，生長(cháng)在低潮灘，經曆鐵死亡，并陷入退化(huà)狀态。這(zhè)引起了(le)研究人(rén)員(yuán)對(duì)耐鹽性和(hé)鐵死亡之間關系的(de)興趣。105個(gè)耐鹽相關基因和(hé)25個(gè)生長(cháng)退化(huà)相關基因構建了(le)一個(gè)相關網絡（圖3A）。基因MSTRG.45636和(hé)MSTRG.77624是複雜(zá)關聯網絡中的(de)中心環節。爲了(le)進一步了(le)解鐵死亡和(hé)耐鹽之間的(de)交叉聯系，研究者選擇了(le)與鐵死亡和(hé)耐鹽性相關的(de)基因來(lái)構建網絡。結果顯示，基因MSTRG32506和(hé)MSTRG37791是網絡中的(de)關鍵節點，MSTRG.11651可(kě)能是潛在的(de)核心基因（圖3B）。此外，這(zhè)些基因都在E組中高(gāo)表達（圖3C）。共表達分(fēn)析結果表明(míng)蘆葦的(de)耐鹽性與鐵死亡有一定的(de)關系。

圖3 耐鹽基因與增長(cháng)退化(huà)相關基因網絡分(fēn)析

文章(zhāng)研究了(le)不同潮位下(xià)蘆葦的(de)鹽脅迫和(hé)表型的(de)差異，爲進一步研究植物(wù)細胞應對(duì)鹽脅迫的(de)分(fēn)子機制提供了(le)方向，鐵死亡與鹽脅迫的(de)關系值得(de)深入研究。

Jia, Jing, et al. "Ecophysiological responses of Phragmites australis populations to a tidal flat gradient in the Yangtze River Estuary, China." Frontiers in Plant Science 15 (2024): 1326345.