2020Vol12干旱胁迫下小麦ABA信号导致穗粒数降低

本文核心词：

1研究背景及目的

小麦是重要的粮食作物，而穗粒数是构成产量的三要素之一，且穗粒数易受干旱胁迫影响。小麦穗粒数由小花分化（末端小穗期到小孢子期）和小花退化（小孢子期到开花期）两个过程决定，其中，发生在小孢子期的干旱胁迫对籽粒数的负效应最明显，小麦茎部(主要是穗下2个节间)、穗部的快速生长和小花退化同时发生，对同化物的竞争激烈。然而，穗、穗下节和旗叶对胁迫的响应和同化物的协调分配尚未明确。本研究的目的是确定旗叶、穗下节和穗在生理、代谢和转录水平上对干旱胁迫的响应和相互作用，及最终如何影响小麦籽粒数。

2材料与方法

选用两个冬小麦品种（ND211和JD18），盆栽室外种植，两种水分处理（充分灌溉-WW和干旱胁迫-WS），两个时期（小孢子期-YM和开花期-Anthesis）。干旱胁迫处理持续4天，之后复水。取样标准及时间如图1。

使用TRIzol试剂盒提取总RNA，使用Illumina HiSeq 4000 TM平台对插入量为300 bp的配对端测序文库进行测序。根据DESeq，q值0.05的基因被认为差异表达，log2fold-change 0为上调或log2foldchange 0为下调。差异表达基因(DEGs)进行k均值聚类分析以评估普遍的表达趋势。取5株植物样，3次重复，分穗、穗下节、旗叶和其他，80℃下烘48小时至恒重测定干物质积累(DMA, g)，干物质分配(DMP，%)。之后这些干物质被用来测定葡萄糖、果糖、果聚糖和蔗糖的浓度。取5个穗和穗下节鲜样，3次重复，采用分光光度计测定转化酶活性，采用酶标仪测定激素ABA和IAA活性。

3实验结果

1.小孢子期干旱胁迫导致更多的籽粒损失

与充分灌溉相比，干旱胁迫下两品种的单穗籽粒产量均显著下降，其中小孢子期的干旱胁迫导致更大程度的单穗籽粒产量损失 (表1)。干旱胁迫下千粒重有所增加，因此籽粒产量的降低归因于单穗粒数的减少，其中小孢子期干旱胁迫后单穗粒数的减少大于开花期干旱胁迫。因此，小孢子期对干旱胁迫更敏感。

2.小孢子期干旱胁迫对穗内不同位置籽粒的影响

为明确小孢子期和开花期发生干旱胁迫时籽粒的详细变化，籽粒被分为穗中不同小穗位的强势粒(SGN，第1、2小花)和弱势粒(IGN，第3、4小花)（图2C-E）。中部小穗位(7-14)的SGN和IGN多于顶部小穗位(15-20)和基部小穗位(1-6)(图2A，B)。在WS条件下，顶部和基部小穗位的IGN几乎完全终止(图2B)。与WW相比，WS处理下顶部小穗位的SGN和中部小穗位的IGN减少，且小孢子期干旱胁迫下的减少程度高于在开花期干旱胁迫 (图2A，B)。这些结果表明，干旱胁迫会减少中部小穗位的弱势粒，顶部和基部小穗位的强势粒和弱势粒。

3.小孢子期干旱胁迫下的差异表达基因更多

为了阐明不同器官对小孢子期和开花期干旱胁迫的转录响应，我们对穗、穗下节和旗叶进行了RNA-seq分析，并进行qRT-PCR分析来验证RNA-seq数据。在WS与WW条件下，差异表达基因(DEGs)的比对表明，穗、穗下节和旗叶在小孢子期比花期有更多的DEGs，特别是下调的DEGs(图3A)。此外，不同器官对干旱胁迫的响应在两个阶段呈相反的趋势。例如，干旱胁迫发生在小孢子期时，旗叶有2884个DEGs，而穗下节的DEGs最低，为382个(图3B)。相反，干旱胁迫发生在花期时，旗叶的DEGs值最低（39），穗和穗下节保持了最大的DEGs数(~127) (图3C)。进一步的分析表明，只有穗下节在两个阶段始终表现出相似的DEGs上调(201,181)和下调(66, 62)，而穗和旗叶中下调的DEGs始终多于上调的DEGs (图3A)。进一步观察发现，干旱胁迫发生时，三个器官在小孢子期有52个共同的DEGs，在开花期有2个共同的DEGs(图3B，C)。与小孢子期干旱胁迫相比，花期干旱胁迫下，旗叶、穗、穗下节的DEGs分别降低了98.7%、79.5%和24.8%。这些结果表明，三个器官在小孢子期干旱胁迫下表现出更多的DEGs，而穗下节中的变化明显小于穗和旗叶。

4.聚类分析与功能预测

为确定基因表达谱的总体趋势，我们对充分灌溉和干旱胁迫间的所有3864个DEGs实行分层聚类进行k均值分析，结果产生了四个大聚类 (图3D, E)，然后使用GOseq工具使用富集分析进行注释(图3F)。在小孢子期干旱胁迫下的表达明显高于开花期干旱胁迫下的表达的基因被集中在cluster 1，这些基因主要参与水分和非生物刺激的信号转导[图3E (a),(c)]。在cluster 2中的基因参与了蛋白质代谢过程[图3E (b)]。与碳水化合物代谢过程相关的基因在cluster 4中富集，这些基因在小孢子期干旱胁迫下的表达量低于开花期干旱胁迫下的表达量[Fig 3E (d)]。

5.干旱胁迫诱导激素信号转导和蔗糖代谢

进一步探讨在干旱胁迫过程中主要被诱导的信号转导途径和碳水化合物代谢相关基因的作用。在DEGs中，有12个ABA-，7个IAA-，6个JA-和3个乙烯-反应基因在各自的途径上被注释(图4)。这些基因在小孢子期干旱胁迫下被下调，但在开花期干旱胁迫下被上调。其中，ABA和IAA是重要的胁迫诱导激素，因此，主要分析了与ABA和IAA信号转导相关的基因(图4 A，B)。有趣的是，大部分ABA信号转导相关的基因在小孢子期干旱胁迫下仅在旗叶中被上调，而在穗下节和穗中被下调，且在穗中的基因表达量低于穗下节。在穗下节和穗中，IAA信号转导基因如生长素应答因子(ARFs)的表达相似。这些结果表明，在小孢子期发生干旱胁迫时，ABA和IAA信号转导相关的DEGs仅在旗叶中上调，穗下节对ABA信号转导的参与程度大于穗。

涉及蔗糖、海藻糖、淀粉等代谢的DEGs分别为28、9、2和4个(图5)。在这些不同的代谢途径中，蔗糖代谢的差异最大，因此，进一步分析蔗糖代谢基因，并将其分为三组，以确定个体基因表达模式。第一组包括表达至少上调2倍的基因，这些基因主要负责小孢子期干旱胁迫后旗叶中蔗糖转化为己糖，开花期干旱胁迫后穗下节中蔗糖转化为果聚糖。因此，蔗糖水解可能是对干旱胁迫响应的指标。第二组的特征是基因表达至少下调2倍，旗叶和穗下节中的这些基因参与了开花期干旱胁迫下的蔗糖水解。第三组是基因表达变化在2倍内，这组基因可能不是决定蔗糖代谢的关键。

6.小孢子期干旱胁迫后，穗下节的干物质分配稳定

小麦旗叶、穗和穗下节从小孢子期到开花期的干物质积累（DMA）和分配（DMP）情况不同。两品种旗叶、穗和穗下节的干物质积累在开花前持续增加(图6A-C)。与WW相比，当小孢子期开始干旱胁迫后，穗和穗下节的干物质积累被抑制，而旗叶中没有差异。与WW相比，WS下，两品种旗叶的DMP显著升高，穗的DMP降低，穗下节的DMP不受水分胁迫影响（图6D-F)。总的来说，干旱胁迫抑制了穗相对于穗下节对干物质分配的竞争能力，从而导致穗部育性差。

7.干旱胁迫下，穗下节和穗中己糖和果聚糖浓度的变化

小孢子期受到水分胁迫时，旗叶的DMA几乎不受影响，并且由于其他两个器官的DMA降低，旗叶的DMP增加。因此，只分析了穗和穗下节中的四种主要糖。如图7所示，蔗糖和己糖(葡萄糖和果糖)在开花前逐渐减少，而果聚糖先减少后在复水后增加。在WS下，两品种穗下节中己糖显著增加，而穗中己糖减少(图7A-D)。干旱胁迫导致穗下节和穗中蔗糖含量显著降低(图7E，F)。果聚糖在穗下节中被显著增加，而在穗中被抑制(图7G，H)。

8.干旱胁迫下蔗糖代谢相关酶活性的变化

测定了四种参与蔗糖代谢的主要酶。酶分析显示，小孢子期干旱胁迫对两品种穗下节和穗的CWIN活性均有正效应，但仅对“ND211”中的VIN活性有影响(图8A-D)。两品种穗下节中1-SST的活性在干旱胁迫下显著增加，但仅在“ND211”的穗中增加 (图8E)。“ND211”的1-FEH活性在穗下节中增加，而在穗中降低(图8G，H)。两品种间的CWIN、1-SST和1-FEH活性无明显差异，只有“ND211”中的VIN活性明显高于“JD18”。

9.干旱胁迫影响ABA和IAA浓度

转录数据显示DEGs调节ABA和IAA主要富集于各种激素信号转导通路中。因此，IAA和ABA浓度被进一步测定。与WW相比，小孢子期干旱胁迫下，两品种穗和穗下节的ABA显著增加，而IAA显著降低(图9A-D)。干旱胁迫也抑制了穗和穗下节的IAA/ABA比率(图9E，F)。此外，还分别分析了穗下节和穗中糖浓度、酶活性和激素浓度之间的相关性(图9G，H)。在穗中，IAA/ABA比率与CWIN显著负相关(图9G)。在穗下节中，IAA/ABA比率与DMA显著正相关；ABA浓度与CWIN和1-SST活性显著正相关，IAA浓度与DMA呈显著正相关，与葡萄糖呈负相关;1-SST活性与1-FEH活性、CWIN活性和果聚糖呈显著正相关(图9G)。此外，葡萄糖浓度与其他三种糖均显著正相关，蔗糖与果聚糖在穗和穗下节中均显著正相关(图9G，H)。

4结论

该研究从生理和分子角度系统分析了小麦植株各器官对干旱胁迫的响应及器官间竞争降低穗粒数的机制(图10)。干旱胁迫下，旗叶中可溶性酸性转化酶(TaSAI)、蔗糖合酶(TaSS)、液泡转化酶(TaVIN1)和果糖转移酶(TaFTase)上调，将蔗糖代谢为己糖和果聚糖，干物质积累水平稳定，蔗糖向外转运减少。在穗下节和穗中，ABA合成、CWIN和1-SST升高，但穗下节中ABA信号转导相关基因的下调高于穗。相应地，蔗糖在穗下节中比在穗中更多地被卸载和降解为己糖和果糖，这导致了穗下节的干物质分配比穗高。这些器官的协调和不同的代谢反应最终导致干旱胁迫下籽粒数的减少。

Reference

Zhang Z, Huang J, Gao Y M, Liu Y, Li J P, Zhou X N, Yao C S, Wang Z M, Sun Z C, Zhang Y H. Suppressed ABA signal transduction in the spike promotes sucrose use in the stem and reduces grain number in wheat under water stress [J]. Journal of Experimental Botany, 2020. DOI: 10.1093/jxb/eraa380.

来源：绿水智慧农业