近日，華東師范大學植物群落生態(tài)學團隊與合作單位在國際期刊Frontiers in Plant Science（JCR Q1,?IF 5.6）上發(fā)表題為“Ecophysiological responses of?Phragmites australis?populations to a tidal flat gradient in the Yangtze River Estuary, China”的研究成果。該研究主要關(guān)注蘆葦對于不同潮位環(huán)境的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)了蘆葦耐鹽機制。蘆葦是崇明東灘濕地的常見物種，可生長于各種潮灘環(huán)境，甚至是高鹽環(huán)境。生態(tài)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在不同鹽堿度的灘地中，蘆葦種群生態(tài)表現(xiàn)特異。隨即通過比較蘆葦在低、中、高潮灘的功能性狀及其對土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)，探究蘆葦?shù)哪望}策略及其機理。結(jié)果表明，相對于莖高和干重，比葉面積和干物質(zhì)含量等葉片特征對土壤鹽分的穩(wěn)定性更強。此外，隨著鹽脅迫的加劇，低灘地的葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶體活性均呈上升趨勢?；?/span>真邁生物GenoLab M高通量測序平臺對蘆葦耐鹽性的分子機制進行轉(zhuǎn)錄組測序，WGCNA結(jié)合差異表達基因(DEGs)篩選出與高耐鹽密切相關(guān)的3個模塊，鑒定出105個高耐鹽關(guān)鍵核心基因。對于低潮灘地少數(shù)退化種群，通過WGCNA和DEGs組合鑒定出25個核心基因。在退化組中觀察到鐵死亡標志物gonyautoxin-4活性降低，Fe³⁺含量升高，表明鐵死亡可能參與了種群退化。此外，關(guān)聯(lián)分析表明耐鹽性與鐵死亡之間可能存在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。該研究為蘆葦種群耐鹽機制的研究提供了新的思路。

濱海濕地是陸地與水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，為各類物種提供棲息地，卻因人類活動與氣候變化逐漸退化。盡管填海能提供土地資源，但會改變土壤性質(zhì)，導(dǎo)致本土物種多樣性喪失，更容易受到外來物種入侵，進而打破生態(tài)系統(tǒng)的平衡。濕地的恢復(fù)需要選擇本地物種，而蘆葦在構(gòu)建和穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)方面的作用顯著。鑒于其優(yōu)異的抗逆性和維持濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，蘆葦是生態(tài)修復(fù)材料的不二選擇。由于其高度的種內(nèi)多樣性和良好表型可塑性，蘆葦對非生物環(huán)境脅迫具有顯著的適應(yīng)能力。因此，它可以為植物對逆境的反應(yīng)提供有價值的見解。

01?RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)蘆葦鹽脅迫相關(guān)基因

由于不同潮位的蘆葦群體在耐鹽性方面存在顯著差異，研究人員利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)解析蘆葦?shù)哪望}機制。首先，過濾掉FPKM值小于20的低表達基因后，共獲得57,163個基因，基于0~10厘米和10~20厘米土層的土壤鹽濃度，使用WGCNA對這些基因模塊進行了相關(guān)性分析，最終篩選出三個相關(guān)模塊（棕色、深色和深橙色）。在這三個模塊中，共有1070個基因被識別為與耐鹽性相關(guān)的hub基因。進一步的GO和通路富集分析表明，這些基因顯著富集于與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和鹽脅迫反應(yīng)相關(guān)的通路中，表明它們在調(diào)節(jié)蘆葦?shù)哪望}機制中發(fā)揮著重要作用。

圖1?鹽脅迫相關(guān)核心基因集篩選

02?生長退化核心基因集篩選

當斑塊植被退化時，生物量、覆蓋度、結(jié)構(gòu)和物種多樣性等植被指標會發(fā)生顯著變化，這些變化與特定的核心基因有關(guān)。因此，該研究首先鑒定出三個基因模塊（白色、深綠松色和淡綠松色）與生長退化顯著相關(guān)。然后，將E組作為對照，與其他7個組進行比較，鑒定出7個差異表達基因集。這些基因集的交集包括117個上調(diào)基因和83個下調(diào)基因（圖2A）。與WGCNA分析結(jié)果取交集共鑒定出25個共有基因（圖2B），所有這些基因在E組中高表達（圖2C）。通過構(gòu)建相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，探討了這些基因?qū)χ参锷L和退化的影響，發(fā)現(xiàn)它們與鐵死亡等GO term之間有顯著關(guān)聯(lián)（圖2D）。

圖2?增長退化核心基因集篩選

03?探究鹽脅迫與面積增長退化之間的關(guān)系

E組是一種特殊的蘆葦種群，耐鹽，生長在低潮灘，經(jīng)歷鐵死亡，并陷入退化狀態(tài)。這引起了研究人員對耐鹽性和鐵死亡之間關(guān)系的興趣。105個耐鹽相關(guān)基因和25個生長退化相關(guān)基因構(gòu)建了一個相關(guān)網(wǎng)絡(luò)（圖3A）?；騇STRG.45636和MSTRG.77624是復(fù)雜關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的中心環(huán)節(jié)。為了進一步了解鐵死亡和耐鹽之間的交叉聯(lián)系，研究者選擇了與鐵死亡和耐鹽性相關(guān)的基因來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果顯示，基因MSTRG32506和MSTRG37791是網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點，MSTRG.11651可能是潛在的核心基因（圖3B）。此外，這些基因都在E組中高表達（圖3C）。共表達分析結(jié)果表明蘆葦?shù)哪望}性與鐵死亡有一定的關(guān)系。

圖3?耐鹽基因與增長退化相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò)分析

文章研究了不同潮位下蘆葦?shù)柠}脅迫和表型的差異，為進一步研究植物細胞應(yīng)對鹽脅迫的分子機制提供了方向，鐵死亡與鹽脅迫的關(guān)系值得深入研究。

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.