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干旱胁迫（DS）是限制作物产量最普遍的环境因素，可直接导致作物平均减产50%以上。DS影响作物水势和膨压，降低叶片膨胀，促进叶片衰老和脱落，干扰正常功能，改变作物的生理和形态性状。此外，DS还直接或间接抑制光合作用，导致作物生长缓慢，减产，甚至死亡。因此，植物进化出一系列特殊的机制来抵抗DS的危害。

亚麻(Linum usitatissimum L.)是一种重要的油料作物，气候变化导致的干旱使亚麻籽产量和品质严重下降。然而，亚麻在全基因组水平如何调节抗旱基因的表达以响应不同程度的DS尚不清楚。

试验材料：抗旱品种（Z141）、干旱敏感品种（NY-17）幼苗叶片

测序方法：Iso-Seq + RNA-Seq

1、亚麻抗旱性测定

本研究通过比较干旱胁迫下Z141和NY-17两品种的相关表型--株高、生物量、叶片绝对含水量(LAWC)和叶片相对含水量(LRWC)，发现Z141耐旱性强于NY-17。

图1 亚麻抗旱性鉴定

2、亚麻全长转录组分析

分别对对照 (CK)、DS、复水(RW)和RD等条件的Z141及NY-17幼苗共16个叶片组织进行RNA提取检测和全长序列分析，共计获得1093282条高质量FLNC序列，覆盖108579个isoforms和28686个基因位点。

3、DS、RD条件下的整体转录组分析揭示基因表达和功能组差异

基于以上鉴定的基因位点，结合RNA-Seq获得的junction丰度进行DS和RD条件下的亚麻整体转录组分析，发现两者间存在显著不同，RD条件下响应基因的比例高于DS。DS和RD条件下Z141中分别有970和2485个特异性上调差异基因（DEGs），DS特异上调基因的功能富集主要表现在两组，第一组为组蛋白H3-K36去甲基化和大分子甲基化，第二组为生物过程负性调控和大分子代谢过程负性调控。NY-17的DS特异上调基因有1038个，GO主要富集于RNA调控，包括RNA修饰、RNA加工和ncRNA加工。

图2 DS和RD下亚麻幼苗转录组图谱比较

图3 Z141及NY-17中DS、RD特异性上调基因的GO分类

4、DEGs的功能分析

GO富集和MapMan分析可以明显看出，上调的DEGs主要富集于谷氨酰胺家族氨基酸生物合成过程和脯氨酸生物合成过程。下调的DEGs主要富集于光合作用、光合系统的光采集。

图4 DS和RD胁迫下Z141及NY-17响应DEGs的功能分析

5、蛋白互作网络(PPI)分析

PPI分析表明RAD50(DNA修复蛋白50)相互作用蛋白1(RIN-1)作为hub基因，与脯氨酸的生物合成相互作用以响应胁迫。在下调的DEGs中，有94个节点蛋白富集(图5)。几乎所有的节点都集中在光合作用或相关的调控网络上。

图5 干旱胁迫应答基因的蛋白互作网络

6、转录因子(TFs) 

转录因子通过调控靶基因的表达，在响应各种非生物胁迫中发挥着不可替代的作用。在Z141和NY-17的全基因组水平对鉴定的非冗余unigenes进行转录因子预测，共鉴定出4936个TF基因，分布在50个家族中。1190个TFs至少对一种胁迫存在差异应答。1190个TFs按其表达模式可划分为15个聚类。簇5、8、11和13由387个DS和RD上调转录因子组成(图6)，包括DREB、HSF和NFYA10，这些转录因子已被证实是植物非生物抗性途径的关键调控因子。

图6 DS、RD应答TFs的聚类

7、候选基因预测

Z141和NY-17在DS下均显著上调脯氨酸生物合成基因，结合GO富集、Map-Man、PPI网络分析和基因注释等结果，筛选了与脯氨酸生物合成、胁迫响应、水分响应等功能相关的DS响应基因。其中24个基因(包括8个P5CS基因家族成员、2个P5CR（图7）基因家族成员、8个DNA修复基因和6个脱氢酶编码基因)是最有可能的抗旱候选基因。Z141中P5CS和P5CR的基因表达水平显著高于NY-17。

图7 P5CS和P5CR基因家族的基因表达水平

本研究综合采用SMRT和Illumina测序技术，对DS和RD胁迫下的旱作抗旱品种和旱作敏感品种幼苗转录组数据进行了全序列分析。结果表明，在DS下Z141上调的基因比NY-17富集更多与植物抗旱性相关的功能通路。4436个亚麻籽转录因子中有1190个对胁迫反应敏感。脯氨酸生物合成途径通过RAD50相互作用RIN-1以响应胁迫。脯氨酸在亚麻籽抗旱性中发挥重要作用，可维持细胞渗透，保护DNA免受活性氧的损害。本研究是首次利用单分子长读长序列在全基因组范围内比较和分析不同抗旱性亚麻品种在不同干旱处理下的基因表达谱，为了解亚麻的干旱适应性提供一个新的视角。