在擬南芥中，細胞分裂素（CK）信號主要由組氨酸激酶(AHKs)，組氨酸磷酸轉移蛋白(AHPs)和應答調節因子(ARRs)介導。擬南芥組氨酸磷酸轉移ahp2,3,5和B 型擬南芥反應調節因子arr1,10,12 三重突變體幾乎完全缺失CK信號，且ahp2,3,5突變體被報道為耐鹽突變體。越來越多的證據表明 CK 代謝和 CK 信號傳導與植株適應各種非生物脅迫（包括鹽度）之間的關系，但參與該過程的下游代謝變化仍有待闡明。

2021年11月，德克薩斯理工大學科研團隊在PNAS（IF 11.205）雜志上發表題目為“Defective cytokinin signaling reprograms lipid and flavonoid gene-to-metabolite networks to mitigate high salinity in Arabidopsis”的研究成果，在非鹽和鹽脅迫條件下，對擬南芥野生型（WT）和兩個CK信號三重突變體ahp2,3,5、arr1,10,12植株進行了全面的代謝組學和轉錄組學分析，揭示了鹽脅迫下CK信號介導的遺傳代謝網絡的調控機制，為CK生物學在植株耐鹽生物技術中的有效應用提供了理論依據。

研究材料
擬南芥植株

技術路線
· 步驟1：ahp2,3,5和arr1,10,12突變體表現出增強的耐鹽性；
· 步驟2：WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株在非鹽和鹽脅迫條件下的綜合代謝物分析；
· 步驟3：WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應鹽脅迫的綜合轉錄組分析；
· 步驟4：WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應鹽脅迫的GO和 KEGG 富集分析以及調控網絡

研究結果
1. ahp2,3,5和arr1,10,12突變體表現出增強的耐鹽性
作者首先將擬南芥野生型（WT）和兩個CK信號三重突變體ahp2,3,5、arr1,10,12的10 天齡幼苗轉移到補充有 200 mM NaCl 的培養皿中，維持 6 天以驗證其耐鹽性。結果顯示與WT植株相比，ahp2,3,5和arr1,10,12突變體植株表現出較高的耐鹽性。WT 植株的存活率不到 5%，而ahp2,3,5和arr1,10,12突變體存活率則分別超過 95%、90%（圖1）。

圖1 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株的耐鹽性研究
 

2. WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株在非鹽和鹽脅迫條件下的綜合代謝物分析
10 天齡的 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株轉移到補充有 0 mM（非鹽脅迫）或 200 mM NaCl（鹽脅迫）的培養基中培養 24 小時后，采用氣相色譜質譜儀(GC-TOF-MS)和液相色譜質譜儀 (LC-Q-TOF-MS)對每個基因型的整株幼苗進行初級和次級代謝產物綜合分析。結果顯示在非鹽和鹽脅迫條件下，ahp2,3,5和arr1,10,12突變體的代謝變化相似，但與WT 植株不同。突變體與 WT 植株的比較顯示，ahp2,3,5 -C/WT-C 和arr1,10,12 -C/WT-C中分別有 85 和 66 種代謝物增加，3 和 4 種代謝物減少，而在ahp2,3,5 -S/WT-S 和arr1,10,12 -S/WT-S 比較中，分別有83 和 68 種代謝物增加，4 種和 8 種代謝物減少，表明就改變的代謝物數量而言，在鹽脅迫下，每個單獨的基因型中發生了較小的代謝變化（圖2）。

韋恩圖顯示鹽脅迫前后WT和突變體中共鑒定出83 個（80 個增加和3個減少）差異代謝物（DPMs），分為六大類：1) 糖類，2) 氨基酸和多胺，3) 脂質和甾醇，4) 類黃酮和酚類，5) 硫代葡萄糖苷， 6) 其他一般代謝物。大多數 DPMs主要富集在與“氰基氨基酸代謝”、“甘油脂代謝”、“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝”等通路上。結果顯示，與非鹽和鹽脅迫條件下的 WT 植株相比，CK 信號ahp2,3,5和arr1,10,12突變體中脂質代謝相關和類黃酮代謝相關通路的重編程更為顯著。

圖2 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株在非鹽和鹽脅迫條件下的綜合代謝物分析

3. WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應鹽脅迫的綜合轉錄組分析
10 天齡的 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株也在鹽脅迫后 24 小時收集，使用微陣列技術進行轉錄組分析，從分子水平上評估對鹽度響應的代謝變化。結果顯示ahp2,3,5 -C / WT-C和arr1,10,12 -C / WT-C比較中分別有857 和 567 個基因上調，1129 和 830 個基因下調；在ahp2,3,5 -S/WT-S 和arr1,10,12 -S/WT-S 比較中，分別有 594 和 674 個基因上調， 719 和 843 個基因下調。韋恩圖顯示鹽脅迫前后WT和突變體比較中有 403 個重疊的差異基因（DEG， 133 個上調和 270 個下調），這些變化可能有助于突變基因型的耐鹽性，并且通過抑制 CK 信號傳導進行調節（圖3）。

圖3 WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應鹽脅迫的綜合轉錄組分析
 

4. WT、ahp2,3,5和arr1,10,12植株響應鹽脅迫的GO和 KEGG 富集分析以及調控網絡分析
將403 個DEGs 進一步做GO和KEGG分析，并將在ahp2,3,5和arr1,10,12突變體的轉錄組數據集與在非鹽和鹽脅迫條件下獲得的 WT 植株的轉錄組數據集之間的比較中，總共確定的 1,215 個DEGs做調控網絡分析。GO、KEGG 和調控網絡的分析結果表明在非鹽和鹽脅迫條件下，相對于 WT 植株，富集的基因主要參與次級代謝（例如花青素、黃酮類化合物、萜烯和脂質生物合成途徑）、營養同化（例如鐵、硫酸鹽和糖轉運）和氧化還原酶活性，這與ahp2,3,5和arr1,10,12植株中與類黃酮、脂質和甾醇相關的幾種代謝物的積累一致（圖3，圖4）。

圖4 調控網絡分析

小編小結
綜合代謝組和轉錄組分析結果表明，與野生型相比，CK突變體在非鹽和鹽脅迫條件下積累許多初級（例如，糖、氨基酸和脂質）和次級（例如，類黃酮和甾醇）代謝物，表明應激相關代謝物的積累有助于提高耐鹽性，且類黃酮和脂類庫的重編程與轉錄水平的變化高度協調。該研究有助于開發具有耐鹽能力的作物，作為確保氣候危機時代全球糧食安全的關鍵驅動因素。

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