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。該研究主要關注蘆葦對于不同潮位環(huán)境的適應性，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的響應，探究蘆葦?shù)哪望}策略及其機理。結果表明，相對于莖高和干重，比葉面積和干物質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。基于真邁生物GenoLab M高通量測序平臺對蘆葦耐鹽性的分子機制進行轉錄組測序，WGCNA結合差異表達基因(DEGs)篩選出與高耐鹽密切相關的3個模塊，鑒定出105個高耐鹽關鍵核心基因。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，關聯(lián)分析表明耐鹽性與鐵死亡之間可能存在調控網絡。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，導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。濕地的恢復需要選擇本地物種，而蘆葦在構建和穩(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)結構的關鍵作用，蘆葦是生態(tài)修復材料的不二選擇。由于其高度的種內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能力。因此，它可以為植物對逆境的反應提供有價值的見解。
01?RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)蘆葦鹽脅迫相關基因
由于不同潮位的蘆葦群體在耐鹽性方面存在顯著差異，研究人員利用轉錄組測序技術解析蘆葦?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性分析，最終篩選出三個相關模塊（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質網和鹽脅迫反應相關的通路中，表明它們在調節(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、結構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。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。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個上調基因和83個下調基因（圖2A）。與WGCNA分析結果取交集共鑒定出25個共有基因（圖2B），所有這些基因在E組中高表達（圖2C）。通過構建相關網絡，探討了這些基因對植物生長和退化的影響，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系
E組是一種特殊的蘆葦種群，耐鹽，生長在低潮灘，經歷鐵死亡，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系的興趣。105個耐鹽相關基因和25個生長退化相關基因構建了一個相關網絡（圖3A）。基因MSTRG.45636和MSTRG.77624是復雜關聯(lián)網絡中的中心環(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的基因來構建網絡。結果顯示，基因MSTRG32506和MSTRG37791是網絡中的關鍵節(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）。共表達分析結果表明蘆葦?shù)哪望}性與鐵死亡有一定的關系。
圖3?耐鹽基因與增長退化相關基因網絡分析
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對鹽脅迫的分子機制提供了方向，鐵死亡與鹽脅迫的關系值得深入研究。
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.