中国计量大学徐沛组利用生理表型组联合功能分析手段阐释豆类蔬菜水分利用差异机理

水分胁迫是限制作物产量的主要因素之一，植物演化出了精密的水分利用策略以应对水分亏缺。作为水分散失和CO2吸收的共同门户，气孔在平衡干旱抗性和生长发育中起到关键作用。一些植物的气孔对干旱敏感，表现为干旱下气孔快速关闭以防止水分散失，被称为“节水”型水分利用特性；相反，另一些植物的气孔对干旱敏感性低，表现为气孔关闭迟缓，干旱下水分散失多，被称为“费水”型水分利用特性。许多研究分析了包括豆类在内的植物水分利用特性，但对节水、费水特性形成的机理尚不明确。菜用大豆和豇豆分别是费水型和节水型豆科植物的代表，在相似的根系干旱胁迫下，两者的叶片水分利用效率和蒸腾调控行为表现出明显的差异，但其详细生理特征和机制尚不清楚。

近日，Horticulture Research上线了（Advance Access）中国计量大学徐沛课题组题为Understanding water conservation vs. profligation traits in vegetable legumes through a physio-transcriptomic-functional approach 的研究论文。

本研究联合生理表型组-转录组-功能验证，多手段揭示了节水、费水特性的形成机制。通过高通量功能生理表型组（functional physiological phenotyping, FPP）平台持续动态监测渐进式干旱下（正常灌溉、轻度干旱、中度干旱、重度干旱和复水条件）豇豆与大豆蒸腾速率，发现豇豆在早期土壤干旱条件下水分利用较大豆保守，而在长期干旱条件下蒸腾速率较高。首次发现大豆日蒸腾速率在中度干旱下随着干旱程度而增加，并伴随特异的相位改变。时间序列转录组分析表明，豇豆在早期土壤干旱条件下存在一种避免脱水的机制，其中可能涉及VuHAI3和VuTIP2;3两个关键基因。多维因子聚类分析显示了两种作物在干旱、日时间变化及两者互作下不同的基因响应模式，涉及物种特异性的生物钟基因表达差异。基因共表达网络分析挖掘出与豇豆和大豆蒸腾速率密切相关的多个模块，包含一组物种间负相关模块。模块中关键节点基因包括ABA降解基因GmCYP707A4和海藻糖-磷酸酶/合成酶基因VuTPS9。利用瞬时转基因功能体系，作者分析验证了VuTPS9在PEG模拟的干旱胁迫下调节豇豆叶片蒸腾速率的作用。

图4  加权基因共表达网络分析

图6 大豆和豇豆水分利用策略差异的机理模型

中国计量大学生科院植物表型计量与质量安全实验室青年教师方萍萍博士为本论文第一作者，徐沛研究员为论文通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划项目（2022YFE0198000）、国家自然科学基金中以合作项目和面上项目（31772299、 31861143044）以及浙江省自然科学基金（LQ21C150004）资助。

作者团队介绍

徐沛课题组长期从事园艺作物生理表型组学和豆类蔬菜遗传改良研究，在农工信学科交叉融合方面形成了一定特色。近2年研发了高通量表型—基因型联合解析系列新方法和具有自主知识产权的新型高通量植物柔性传感器系统，部分研究成果发表在Plant J、iScience、J Hazard Mater、Hortic Res等杂志。

文章链接：

‍https://doi.org/10.1093/hr/uhac287

转自：“园艺研究”微信公众号

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