作者解读|异源六倍体小麦对长期盐胁迫的适应策略

1. 实验设计和研究内容

盐胁迫与其它类型胁迫最明显的区别是，盐胁迫的影响会贯穿作物的整个生命周期，而其它胁迫类型仅仅影响作物的某一特定时期。国内外多数学者更倾向于研究植物对短期盐胁迫处理的响应机制，而植物对长期盐胁迫的响应和适应机制知之甚少。研究作物对长期盐胁迫的响应机制更具实践价值。萌发阶段和幼苗期对作物和盐生植物在盐碱地定居和生存至关重要。本研究选择异源六倍体小麦模式品种“中国春”作为实验材料。为了保证最优的光照和温度条件，植物培养和胁迫处理都在户外露天环境中进行(人工遮雨)。在本研究中，小麦种子被播种于沙子中，然后立即施加100 mM NaCl 胁迫30天, 使小麦从萌发阶段到幼苗期连续处在盐胁迫条件下，充分模拟了天然盐胁迫条件。为了揭示异源六倍体小麦对长期盐胁迫的适应策略，除了深度分析转录组外，还测定了叶片解剖结构、叶绿体超微结构、主要植物激素、相容性溶质和无机离子等生理生化参数。

2. 主要的实验结果

Figure 1. Effects of long-term salinity stress on chloroplast ultrastructure in allohexaploid wheat. The wheat seeds were treated with 100 mM NaCl for 30 days.

长期盐胁迫提高叶绿体类囊体密度（Figure 1）。我们推测，长期盐胁迫下小麦高密度的类囊体可能产生更多的ATP和NADPH，从而增加盐胁迫响应能量供应（Figure 1）。

Figure 2. Effects of long-term salinity stress on plant hormone concentrations in allohexaploid wheat. The wheat seeds were treated with 100 mM NaCl for 30 days. Values are means (± standard deviation) of three biological replicates. Statistical significance between control and stress treatments was determined by t-test, and marked as * (P < 0.05).

长期盐胁迫刺激叶片和根积累ABA（Figure 2）。转录组分析结果表明，长期盐胁迫增加小麦叶片9 个ABF（ABA信号系统下游正效调节因子）基因的表达水平。ABF基因的上调不仅可以介导气孔关闭，限制植物生长，还可以诱导诸多盐响应基因的表达。此外，长期盐胁迫还降低小麦叶片中JA和GA3浓度，同时上调三个DELLA基因（GA信号途径的抑制因子）和10个JAZ基因（JA信号途径的抑制因子）的表达，进而限制叶片中茉莉酸和赤霉素控制的代谢过程(Table 1）。综上所述，在长期盐胁迫下，小麦可能通过提高ABA控制的代谢过程和限制茉莉酸和赤霉素控制的代谢过程来抑制生长。

Figure 3. Effects of long-term salinity stress on expression of LEA and dehydrin genes.

(a) Box plot displaying fold changes for all differentially expressed late embryogenesis abundant (LEA) and dehydrin genes. (b) Ternary plot displaying homeologous expression bias categories of five typical LEA gene triads. The wheat seeds were treated with 100 mM NaCl for 30 days. The three vertices (A, B and D) of the triangle represent ideally dominant expression of the corresponding A, B and D homeologs, respectively.

LEA蛋白超家族(包括LEA和Dehydrin等亚家族)包含串联亲水氨基酸结构，是植物重要的保护性蛋白，在防止细胞脱水和蛋白质变性中起重要作用。LEA蛋白也可与碳水化合物相互作用形成细胞内的类玻璃体，从而抑制Na 和Cl^-在细胞质中的迁移和减少水分子的流失。根据小麦基因组注释信息，六倍体小麦基因组包含近500个LEA超家族基因，远远多于其它作物。在我们的研究中，根或叶中共有108个LEA超家族基因显著上调(Figure 3a)，同时许多碳水化合物含量也显著增加。据此，我们推测在长期盐胁迫下大量LEA基因表达上调和大量碳水化合物积累可能是六倍体小麦适应长期盐胁迫的重要策略，将导致小麦细胞质中类玻璃体的大量积聚，进而减慢基础代谢、减缓有毒离子在细胞质中移动。

Figure 4. Effects of long-term salinity stress on homeolog expression bias in the salinity-tolerant triads. (a) Ternary plot displaying homeologous expression bias categories (HEBCs) of all the salinity-tolerant triads. (b) Triad number of each HEBC for all the salinity-tolerant triads.

目前普遍种植的小麦95%是异源六倍体，包含A,B,D三套亚基因组。理论上任何基因都包含A,B,D三个拷贝(homeolog)，而一个基因的三个homeolog组成一个triad。我们研究了全部耐盐triad 的A、B和D三个homeolog在长期盐胁迫下的表达分化。结果表明, 在长期盐胁迫下，大部分耐盐triad 的A,B,D 三个homeolog表达接近1:1:1(balanced)，这将发挥剂量效应，进而贡献异源六倍体小麦强的耐盐性（Figure 4）。

3. 主要结论

该项研究利用转录组和多项生理生化技术，揭示了异源六倍体小麦抵抗长期盐胁迫的适应策略：

第一，在代谢层面，长期盐胁迫下，生长抑制并非是一个被动的胁变过程，而是一个主动的调节过程。在长期盐胁迫下，小麦通过激素调节、LEA蛋白和糖的积累限制生物量积累，将物质和能量优先供给胁迫响应。具体地，在长期盐胁迫条件下小麦可能通过以下过程将能量从生物量积累转移到胁迫适应：（1）通过增强ABA途径来关闭气孔和限制生长; （2）抑制叶片中GA和JA控制的代谢途径；（3）通过碳水化合物和LEA蛋白的相互作用产生大量类玻璃体，降低代谢速率。

第二，在基因组层面，六倍体小麦形成后，耐盐基因也被加倍，许多加倍的耐盐基因可能被保留在现代小麦中。这些加倍的耐盐基因在六倍体小麦适应盐胁迫过程中可能发挥剂量效应，这也许是六倍体小麦具有广泛适应性的遗传学基础。

该研究发现小麦耐盐并非由某一基因或某一特性控制，而是一个多层面的调控过程：需要多激素信号途径协调控制代谢，抑制生物量积累，将能量用于抵抗胁迫；也需要多基因组共表达耐盐基因，导致耐盐基因高表达，发挥剂量效应。同时大量LEA基因共表达可能是六倍体小麦耐盐的关键。

2020年5月12日BMC Plant Biology杂志在线发表了杨春武研究团队的这一研究成果(https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-020-02423-2)。杨春武研究组硕士生Nadeem Bhanbhro和硕士生肖彬彬为该论文的共同第一作者，东北师范大学杨春武副教授为该论文的通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

论文之外的思考。结合多年的研究经验，作者建议如果利用转基因改良小麦耐盐性，不要针对某一耐盐基因，可尝试改变植物的能量代谢，如通过突变次生代谢关键基因抑制次生代谢，过表达磷酸戊糖途径关键基因增加胁迫响应的能量输入，过表达抑制因子压制GA, IAA和JA控制的基础代谢过程。同时作者建议，可人工设计编码串联亲水氨基酸肽段的DNA序列，将其转入小麦有望提高其耐盐和耐旱性。

4. 作者简介

杨春武研究组一直从事小麦耐盐碱生理机制的研究。在理论研究方面，主要研究小麦在多倍化过程中耐盐性变异的生理生化机制及栽培小麦耐盐碱的生理机制。在应用研究方面，针对东北地区盐碱地特点，筛选和创制耐碱春小麦品系。

相关的论文：

1. Xiao C, Cui X, Lu H, Han L, Liu S, Zheng Y, Wang H, Wang H, Yang C*. Comparative adaptive strategies of old and young leaves to alkali-stress in hexaploid wheat. Environmental and Experimental Botany, 2020, 171: 103955.

2. Xiao B, Lu H, Li C, Bhanbhro N, Cui X, Yang C*. Carbohydrate and plant hormone regulate the alkali stress response of hexaploid wheat (Triticum aestivum L.). Environmental and Experimental Botany, 2020, 175:104053

3. Bhanbhro N, Xiao B, Han L, Lu H, Wang H, Yang C*. Adaptive strategy of allohexaploid wheat to long-term salinity stress. BMC Plant Biology, 2020, 20:210.

4. Han L, Xiao C, Xiao B, Wang M, Liu J, Bhanbhro N, Khan A, Wang H, Wang H, Yang C*. Proteomic profiling sheds light on alkali tolerance of common wheat. Plant Physiology and Biochemistry, 2019, 138: 58-64.

5. Yang C, Zhao L, Zhang H, Yang Z, Wang H, Wen S, Zhang C, Rustgi S*, von
Wettstein D*, Liu B*. Evolution of physiological responses to salt stress in
hexaploid wheat. PNAS, 2014, 111:11882–11887.