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華南植物園揭示熱帶海島植物過江藤耐鹽分子機制
過江藤，一種多年生馬鞭草科草質藤本植物，廣泛分布于熱帶和亞熱帶濱海地區，具有顯著的耐鹽和耐貧瘠砂質土壤的特點。同時，過江藤覆蓋能力強，具有較強的抗病性和適應性，在熱帶珊瑚島的高溫、高光、高鹽等惡劣環境下不易枯死和退化。此外，過江藤具有較強的抗外來入侵的能力，在種植區域內有害植物也顯著減少。基于以上優點，近年來過江藤被廣泛用于熱帶珊瑚島植被構建。然而，過江藤耐受極端環境如鹽脅迫的分子機制尚未被揭示。
中國科學院華南植物園劉勛成與劉楠研究團隊合作采用二代、三代測序技術結合染色體構象捕獲技術，組裝得到了過江藤染色體級別的基因組。組裝得到的基因組長度為403.07 Mb，其中95.35%的序列被錨定到了18條染色體上。基因組進化分析發現，過江藤經歷了兩次全基因組復制事件，其中與環境適應性有關基因及次級代謝產物合成有關基因在過江藤長期進化過程中得到了明顯的擴張。轉錄組分析發現，與激素合成和信號轉導以及離子轉運有關基因的擴張和高表達在過江藤耐鹽過程中發揮重要作用。其中，編碼玉米黃質環氧化酶(植物類胡蘿卜素代謝與脫落酸(ABA)生物合成的關鍵酶)的ZEP基因家族發生了顯著的擴張(8倍于模式植物擬南芥)，且在鹽脅迫后表達量顯著提升。這一發現與鹽脅迫后過江藤較長時期內保持高濃度的ABA水平密切相關。遺傳和生化分析顯示，過量表達代表性的ZEP基因可促進植物體內ABA的生物合成，同時提高植物的耐鹽性。
基于基因組數據，研究團隊進一步對鹽脅迫后的過江藤進行蛋白組和賴氨酸乙酰化修飾組學分析。研究發現鹽脅迫導致大量參與信號轉導、碳水化合物運輸和代謝以及轉錄調控有關的基因發生明顯去乙酰化變化。乙酰化修飾功能分析發現，在氧化應激過程中發揮關鍵作用的谷胱甘肽轉移酶GST的第250位賴氨酸殘基(K250)在鹽脅迫后發生了明顯的去乙酰化變化。研究進一步證實K250位點的去乙酰化顯著提高了GST蛋白的抗氧化相關酶活性，通過減少植物體內活性氧的積累，從而增強了植物對鹽脅迫的耐受性。
綜合基因組、轉錄組和乙酰化組的分析結果，研究團隊構建了過江藤應對鹽脅迫的分子網絡：1、基因組層面：兩次全基因組加倍帶來的基因擴張，特別是 ABA 合成相關基因(如 ZEP)的增加，為耐鹽性奠定了基礎;2、轉錄層面：鹽脅迫激活了大量與 ABA 信號傳導、離子運輸相關的基因表達，同時抑制了生長發育相關基因，實現 "應激優先" 的資源分配;3、蛋白質修飾層面：通過廣泛的蛋白質去乙酰化，特別是 GST 等抗氧化酶的去乙酰化，快速調節蛋白質活性，應對氧化應激。這種多層次、全方位的調控機制，使過江藤能夠在高鹽環境中生存并保持活力。基于以上研究成果，研究團隊已經獲得國家發明專利2項。
相關研究結果已近期發表在植物學主流期刊The Plant Journal(《植物學雜志》)上。中國科學院華南植物園劉勛成和劉楠研究員為論文的通訊作者，聯合培養的博士后王麗媛為第一作者。簡曙光研究員、鄭楓助理研究員以及博士生周雨珩參與研究工作。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省科技計劃和廣州市科技項目的資助。論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1111/tpj.70325
圖. 過江藤耐鹽分子機制
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