海雀稗（Paspalum vaginatum）是抗逆性强且与玉米和高粱近缘的野生植物，是农作物、草坪草等抗性育种的优质野生资源。本研究通过组装海雀稗的染色体水平基因组，多组学联合分析及实验验证，深入探究了其耐氮磷缺乏胁迫的分子机制，为玉米、高粱等重要农作物抗逆性育种提供重要的分子基础。

文章题目：Genome of Paspalum vaginatum and the role of trehalose mediated autophagy in increasing maize biomass

发表期刊：nature communications（IF=17.694）

发表时间：2022.12.13

1、海雀稗基因组特征及比较基因组分析

该研究使用PacBio测序数据对海雀稗基因组进行组装，组装得到的基因组大小为646.9 Mb，scaffold N50为44.5 Mb，结合遗传图谱构建海雀稗染色体水平基因组（图1a）。注释共获得45,843个基因。

图1 海雀稗基因组和进化

2、海雀稗对缺素胁迫的生理反应

该研究对海雀稗、高粱和玉米在营养充足、限氮和限磷条件下的生长情况进行了比较。在缺氮或缺磷条件下，玉米和高粱幼苗明显受到明显影响并且地上新鲜生物量积累显著减少，但海雀稗植株却不受影响（图2a, b）。与最佳营养条件相比，在缺氮条件下生长的海雀稗分株根长显著的增加，而缺磷胁迫对该物种的根长没有显著影响（图2c）。

图2 三个被研究的物种对营养缺失胁迫的反应

该研究认为，在养分充足的条件下，海雀稗利用氮的潜力有限，因此在缺氮条件下，雀稗体内的氮有效性没有显著下降。随后作者测定了本研究中所有三种植物的氮和磷的含量。

与对照相比，在缺氮条件下所有物种中，氮在总生物量中所占的比例都显著下降（图2d，e）。缺磷处理使三种植物的磷在干生物量中所占比例显著下降（图2f），其中海雀稗的磷丰度下降幅度明显小于玉米和高粱（图2g）。缺氮处理使玉米和高粱的磷占干生物量的比例显著增加（图2f），这与此前关于缺氮条件下生长的植物磷吸收增加的报道一致。结果表明，本研究所采用的缺氮处理方案足以导致雀稗体内氮水平的下降和缺氮胁迫。

3、海雀稗营养缺乏胁迫下初级代谢反应

在营养充足和营养缺乏条件下生长的植物之间观察到许多代谢变化，玉米和高粱比海雀稗有更多的代谢产物在对氮或磷亏缺胁迫的反应中表现出丰度的显著变化（图3a，b）。在最佳营养条件和缺磷条件下，在海雀稗中表现出显著丰度变化的代谢物，包括色氨酸、木糖、甘油酸和海藻糖，在玉米或高粱中都没有表现出丰度变化（图3a-d）。

图3 三个研究对象对营养缺失胁迫的初级代谢和转录组反应

海藻糖是一种双糖，主要作为植物对非生物胁迫的信号分子，在缺氮或缺磷条件下生长的海雀稗中丰度明显高于营养充足条件下的丰度，但在玉米或高粱中没有观察到这种差异（图3c, d）。

作者在玉米、海雀稗和高粱根样本进行转录组测序，并分别鉴定出在缺氮和缺磷胁迫下，三个物种中的差异表达基因（图3e），且大多数DEGs本身是协同保守的。此外，作者发现海雀稗中海藻糖在缺氮条件下的显著积累，其中，海藻酶编码基因（tre1）在雀稗中的表达水平低于其在高粱或玉米中的同源同源基因（图3i）。

4、在玉米和高粱中抑制海藻糖酶活性可重现雀稗表型

由于同等的缺磷处理相对于玉米和高粱，海雀稗的磷丰度变化明显较小，而缺氮处理则产生较大的变化，因此作者选择在后续所有实验中只关注缺氮胁迫。

作者用海藻酶活性特异性抑制剂（ValA）处理玉米和高粱。在缺氮和对照条件下，经ValA处理的玉米植株的生长明显高于未处理的植株（图4a）。通过代谢分析证实，30µM ValA处理显著增加了玉米和高粱在全营养和缺氮营养条件下海藻糖的积累（图4b），但未能增加雀稗海藻糖的积累。

图4 ValA处理与玉米海藻糖积累增加和生物量增加有关

在氮充足和缺氮条件下，ValA处理的玉米和高粱幼苗根系生物量占总生物量的比例都小于未处理的幼苗（图4c），ValA处理的玉米幼苗积累了更多的干生物量（图4d）。相比之下，ValA在任何一种处理下对海雀稗生物量积累均没有显著影响（图4e）。

5、ValA处理与玉米自噬和氮代谢增加有关

作者对在缺氮和氮充足条件下生长的ValA处理和未处理的玉米幼苗进行了基因表达定量，发现许多已知的氮转运、氮代谢以及自噬相关基因在ValA处理过的幼苗中表达上调（图5）。

图5 经ValA处理的玉米幼苗自噬作用增强

6、验证ValA诱导玉米生物量积累增加是自噬依赖的

ValA处理幼苗的表达变化与通过转运蛋白上调增加氮吸收、通过抗氧化途径上调减少氮缺乏引起的氧化应激，以及通过增加自噬激活而增加的氮循环是一致的（图5a）。为了确定ValA处理的幼苗中自噬的明显增加是否是生物量增加所必需的，作者使用了3-甲基腺嘌呤（3-MA）（这是一种磷脂酰肌醇3-激酶抑制剂，可以阻止自噬体的形成）。结合实验及数据统计结果表明，ValA处理诱导的玉米生物量积累确实是自噬依赖的（图6）。

图6 ValA诱导的生物量增加依赖于海藻糖介导的自噬

本文通过三代测序技术和遗传图谱等方法，组装注释了染色体水平的海雀稗基因组，通过比较基因组学、转录组、代谢组及生理学、遗传学和分子生物学等实验，证明了海藻糖代谢通路在海雀稗适应不同环境胁迫的过程中可能起到关键作用，为高粱、玉米等农作物抗逆育种提供了重要的思路。

参考文献：

Sun, G. et al. Genome of Paspalum vaginatum and the role of trehalose mediated autophagy in increasing maize biomass. Nat Commun, 2022.