近日，华东师范大学植物群落生态学团队与合作单位在国际期刊Frontiers in Plant Science（JCR Q1, IF 5.6）上发表题为“Ecophysiological responses of Phragmites australis populations to a tidal flat gradient in the Yangtze River Estuary, China”的研究成果。该研究主要关注芦苇对于不同潮位环境的适应性，发现了芦苇耐盐机制。芦苇是崇明东滩湿地的常见物种，可生长于各种潮滩环境，甚至是高盐环境。生态调查发现，在不同盐碱度的滩地中，芦苇种群生态表现特异。随即通过比较芦苇在低、中、高潮滩的功能性状及其对土壤理化性质的响应，探究芦苇的耐盐策略及其机理。结果表明，相对于茎高和干重，比叶面积和干物质含量等叶片特征对土壤盐分的稳定性更强。此外，随着盐胁迫的加剧，低滩地的叶片超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶体活性均呈上升趋势。基于太阳集团电子游戏生物GenoLab M高通量测序平台对芦苇耐盐性的分子机制进行转录组测序，WGCNA结合差异表达基因(DEGs)筛选出与高耐盐密切相关的3个模块，鉴定出105个高耐盐关键核心基因。对于低潮滩地少数退化种群，通过WGCNA和DEGs组合鉴定出25个核心基因。在退化组中观察到铁死亡标志物gonyautoxin-4活性降低，Fe3+含量升高，表明铁死亡可能参与了种群退化。此外，关联分析表明耐盐性与铁死亡之间可能存在调控网络。该研究为芦苇种群耐盐机制的研究提供了新的思路。
滨海湿地是陆地与水生生态系统的过渡地带，为各类物种提供栖息地，却因人类活动与气候变化逐渐退化。尽管填海能提供土地资源，但会改变土壤性质，导致本土物种多样性丧失，更容易受到外来物种入侵，进而打破生态系统的平衡。湿地的恢复需要选择本地物种，而芦苇在构建和稳定生态系统方面的作用显著。鉴于其优异的抗逆性和维持湿地生态系统结构的关键作用，芦苇是生态修复材料的不二选择。由于其高度的种内多样性和良好表型可塑性，芦苇对非生物环境胁迫具有显著的适应能力。因此，它可以为植物对逆境的反应提供有价值的见解。
01 RNA-seq分析发现芦苇盐胁迫相关基因
由于不同潮位的芦苇群体在耐盐性方面存在显著差异，研究人员利用转录组测序技术解析芦苇的耐盐机制。首先，过滤掉FPKM值小于20的低表达基因后，共获得57,163个基因，基于0~10厘米和10~20厘米土层的土壤盐浓度，使用WGCNA对这些基因模块进行了相关性分析，最终筛选出三个相关模块（棕色、深色和深橙色）。在这三个模块中，共有1070个基因被识别为与耐盐性相关的hub基因。进一步的GO和通路富集分析表明，这些基因显著富集于与内质网和盐胁迫反应相关的通路中，表明它们在调节芦苇的耐盐机制中发挥着重要作用。
图1 盐胁迫相关核心基因集筛选
02 生长退化核心基因集筛选
当斑块植被退化时，生物量、覆盖度、结构和物种多样性等植被指标会发生显著变化，这些变化与特定的核心基因有关。因此，该研究首先鉴定出三个基因模块（白色、深绿松色和淡绿松色）与生长退化显著相关。然后，将E组作为对照，与其他7个组进行比较，鉴定出7个差异表达基因集。这些基因集的交集包括117个上调基因和83个下调基因（图2A）。与WGCNA分析结果取交集共鉴定出25个共有基因（图2B），所有这些基因在E组中高表达（图2C）。通过构建相关网络，探讨了这些基因对植物生长和退化的影响，发现它们与铁死亡等GO term之间有显著关联（图2D）。
图2 增长退化核心基因集筛选
03 探究盐胁迫与面积增长退化之间的关系
E组是一种特殊的芦苇种群，耐盐，生长在低潮滩，经历铁死亡，并陷入退化状态。这引起了研究人员对耐盐性和铁死亡之间关系的兴趣。105个耐盐相关基因和25个生长退化相关基因构建了一个相关网络（图3A）。基因MSTRG.45636和MSTRG.77624是复杂关联网络中的中心环节。为了进一步了解铁死亡和耐盐之间的交叉联系，研究者选择了与铁死亡和耐盐性相关的基因来构建网络。结果显示，基因MSTRG32506和MSTRG37791是网络中的关键节点，MSTRG.11651可能是潜在的核心基因（图3B）。此外，这些基因都在E组中高表达（图3C）。共表达分析结果表明芦苇的耐盐性与铁死亡有一定的关系。
图3 耐盐基因与增长退化相关基因网络分析
文章研究了不同潮位下芦苇的盐胁迫和表型的差异，为进一步研究植物细胞应对盐胁迫的分子机制提供了方向，铁死亡与盐胁迫的关系值得深入研究。
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.