项目文章 | 过氧化氢通过激活类黄酮生物合成途径和乙烯信号促进葡萄树对钾的吸收

河南科技大学郭大龙课题组在Scientia Horticulturae上在线发表了题为“Hydrogen peroxide promotes potassium uptake by activating flavonoid biosynthesis pathway and ethylene signaling in grapevines”的研究成果。该研究中转录组测序服务由元莘生物提供。

钾离子（K+）是植物必需的养分。葡萄是一种重要的工业作物，对钾的需求量极高。然而，葡萄栽培中经常出现缺钾现象，极大地限制了葡萄产业的发展。开发提高钾吸收效率的技术对葡萄至关重要。在这项研究中，我们发现过氧化氢（H2O2）处理可以提高葡萄对 K+ 的吸收。为了确定 H2O2 诱导 K+ 吸收的机制，我们进行了转录组测序（RNA-seq），并进一步分析了差异表达基因。基因本体（GO）富集表明，离子转运相关通路和基因在 H2O2 处理后发生了变化。京都基因组百科全书（KEGG）分析和加权基因共表达网络分析（WGCNA）表明，类黄酮生物合成途径与H2O2诱导的K+吸收密切相关，H2O2处理可激活类黄酮生物合成途径。进一步分析表明，H2O2 处理可激活乙烯合成和乙烯信号通路，而乙烯信号通路通过调控 K+ 转运体基因促进 K+ 吸收。总之，本研究展示了一种提高葡萄钾吸收效率的新技术--H2O2 处理，并揭示了 H2O2 诱导 K+ 吸收的分子机制。

研究背景

1. H2O2处理改变离子转运途径

对 6、24 和 72 小时（H6 vs. C6、H24 vs. C24 和 H72 vs. C72）比较中发现的 DEGs 进行了基因本体富集分析。最重要的 GO 术语是氧化还原酶活性、铁离子结合、铜离子结合、对刺激的反应和木质素代谢过程。有趣的是，许多与离子转运、结合或反应相关的 GO 术语被显著富集，如铁离子结合、离子转运、硝酸盐转运、硫酸盐转运、离子跨膜转运活性和阳离子结合。通过进一步分析这些 GO 通路中的基因，发现与硝酸盐、镉、锌、磷酸盐、硫酸盐、铜和钠相关的基因在 H2O2处理后下调，而与硫酸盐、钙和铵相关的基因在 H2O2处理后上调。最重要的是，经 H2O2处理后，18 个 K 转运体基因出现差异表达，其中 3 个基因（Vitvi14g01798、Vitvi10g01219 和 Vitvi07g02183）在 H2O2 处理后显著上调。这些结果表明，H2O2可能通过诱导 K 转运体基因和调控其他阳离子和阴离子转运基因来改变离子平衡。

2. 黄酮类化合物的生物合成在 H2O2诱导的 K 吸收过程中受到显著影响

为了揭示参与 H2O2 诱导的K吸收的关键代谢通路，利用H6 vs. C6、H24 vs. C24和H72 vs. C72的DEGs进行了KEGG通路富集分析。排名靠前的通路包括类黄酮生物合成、苯丙氨酸代谢、次级代谢产物的生物合成、苯丙类生物合成、植物激素信号转导和代谢通路。其中，黄酮类化合物的生物合成通路显著富集，并且有大量的 DEGs，如 GSEA 图所示，H6 与 C6、H24 与 C24 和 H72 与 C72 之间的差异显著（p < 0.05）。此外，我们还分析了 C72 vs. C6、C24 vs. C6 和 C72 vs. C24 的 DEGs，这些基因在低 K 条件下有差异表达。在 GSEA 图谱中，这些基因的类黄酮生物合成通路也显著富集，表明类黄酮生物合成可能在低 K 条件下发挥作用。

研究结论

通过全面分析 H2O2处理对葡萄植株钾吸收的影响，我们揭示了 H2O2诱导钾吸收的机制。我们发现，在低钾条件下，H2O2通过介导类黄酮信号、离子平衡和乙烯信号促进钾吸收。H2O2处理通过上调类黄酮合成相关酶基因激活类黄酮途径，导致类黄酮积累，类黄酮可能是钾缺乏的信号，也可能是过量 ROS 的清除剂，或以未知方式参与钾吸收。低钾条件可激活乙烯信号，主要是通过上调乙烯响应基因（如 ERFs）。乙烯可通过诱导钾转运体基因促进钾吸收。此外，由于离子转运体和转运 ATP 酶基因（如钾、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、铵、镉、锌和铜）的表达发生变化，细胞内离子平衡可能在这些信号传递过程中发生改变。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scienta.2023.112728