Expression profiles of transcription factors and aquaporins suggest putative roles in rubber biosynthesis regulation and drought stress adaptation in guayule
- 作者
- Huy Phan, Hussein Abdel-Haleem
- 单位
- US Arid Land Agricultural Research Center, USDA-Agricultural Research Services, Maricopa, AZ 85138, USA
- 杂志
- Scientific Reports（2026）
- DOI
- 10.1038/s41598-026-44868-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析银胶菊（Parthenium argentatum）两个品种AZ-4和CAL-2在干旱胁迫下的转录组响应，揭示调控橡胶生物合成与干旱适应性的关键转录因子和水通道蛋白机制。
研究策略
对AZ-4和CAL-2进行干旱与充分灌溉处理，取茎皮组织进行RNA-seq；通过从头组装、差异表达分析、GO/KEGG富集、转录因子和水通道蛋白的同源注释与表达谱分析，比较两品种的分子调控策略。
研究路线图
核心内容
对银胶菊两个品种AZ-4和CAL-2进行干旱与灌溉处理并取茎皮组织进行RNA-seq，比较了二者在转录组层面的干旱响应差异。干旱下AZ-4橡胶含量为2.1%，显著高于CAL-2的1.4%，且AZ-4的δ13C值更高，表明其水分利用效率更优。AZ-4在干旱下表现出更广泛的转录重编程，有6167个差异表达转录本，而CAL-2为5396个。共注释到2929个转录因子，其中AP2/ERF、MYB和NAC家族在两品种中均参与调控MVA/MEP通路以影响橡胶生物合成。水通道蛋白分析发现AZ-4中PIP1-2（log2FC +7.39）和PIP1-4显著上调，而CAL-2则依赖NIP5-1等不同亚型的上调，提示两品种通过不同水通道蛋白组合维持干旱下水分平衡。结果表明AZ-4通过更强的内源资源管理和橡胶合成基线调控适应干旱，而CAL-2依赖精细调控与外部防御策略，这些分子机制为银胶菊抗旱育种和橡胶生产改良提供了靶点依据。
创新点
首次并排比较两个不同育种背景的银胶菊品种在干旱胁迫下的转录组；发现AZ-4表现出更强转录重编程和橡胶生物合成基线调控，而CAL-2依赖精细调控和外部防御；揭示PIP1-2、PIP1-4和NIP5-1等水通道蛋白选择性上调可能是干旱下维持生理功能的补偿机制。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4 | MVA（甲羟戊酸）通路 | HMGR (3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶) | HMGR | 催化 | 橡胶/萜类前体IPP合成的关键调控节点，受六大TF家族调控 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4 | MEP（甲基赤藓醇磷酸）通路 | DXS/DXR/HDS/HDR/IDI等 | DXS等 | 催化 | 质体内萜类前体合成途径，为橡胶生物合成提供前体 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4和CAL-2 | MVA/MEP通路与干旱响应 | AP2/ERF家族（DREB2A、DREB2B、DREB2C、ERF1B、ERF34、ERF40、ERF105等） | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 干旱下两品种中双向调控；AZ-4 8上调/42下调，CAL-2 7上调/11下调 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4和CAL-2 | MVA/MEP通路与干旱响应 | MYB家族（MYB48、MYB59、MYB52、MYB55、LHY1、RVE1、RVE8等） | MYB转录因子 | 调控 | AZ-4 7上调/21下调；CAL-2 12上调/12下调，AZ-4的7个上调MYB全部包含于CAL-2上调中 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4和CAL-2 | MVA/MEP通路与干旱响应 | NAC家族（NAC019、NAC072、NAC102等） | NAC转录因子 | 调控 | AZ-4 10上调/21下调；CAL-2 4上调/12下调；上调重叠3个、下调重叠11个 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4和CAL-2 | MVA/MEP通路与干旱响应 | bHLH家族 | bHLH转录因子 | 调控 | AZ-4 3上调/21下调；CAL-2 6上调/18下调；14个下调重叠、2个上调重叠 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4和CAL-2 | MVA/MEP通路与干旱响应 | bZIP家族 | bZIP转录因子 | 调控 | AZ-4 4上调/10下调；CAL-2无上调/5下调；2个下调重叠 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4和CAL-2 | MVA/MEP通路与干旱响应 | WRKY家族 | WRKY转录因子 | 调控 | AZ-4 4上调/20下调；CAL-2 2上调/5下调；1个下调重叠 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 AZ-4 | 水分运输/干旱适应 | PIP1-2、PIP1-4 | 质膜内在蛋白（PIP）水通道蛋白 | 转运 | AZ-4中显著上调，log2FC分别为+7.39和+2.48 |
| Parthenium argentatum (guayule) 品种 CAL-2 | 水分运输/干旱适应 | NIP5-1、TIP-type等 | NIP/TIP水通道蛋白 | 转运 | CAL-2中NIP5-1 log2FC +2.19，最高TIP-type log2FC +8.17；AZ-4中多数水通道蛋白下调 |
关键发现
- 橡胶含量：干旱下AZ-4为2.1%，显著高于CAL-2的1.4%；灌溉下分别为1.2%和0.7%，两品种干旱下橡胶含量均显著上升。树脂含量：AZ-4显著高于CAL-2（干旱10.2% vs
- 1%；灌溉11.0% vs
- 8%），但干旱不影响树脂含量。δ13C：AZ-4在干旱和灌溉下分别为-29.6‰和-29.9‰，CAL-2为-30.2‰和-30.8‰，表明AZ-4水分利用效率更高。转录组测序获得457,077,694条双端reads，清洗后保留451,344,416条（98.75%）；组装得到440,984条非冗余转录本，N50为1361 bp，总长456.7 Mb，长度301–15,761 bp，72.96% clean reads可比对回参考转录组。差异表达：AZ-4干旱vs灌溉有6167个转录本差异表达（4210下调/1957上调）；CAL-2为5396个（3063下调/2333上调）；干旱条件下AZ-4 vs CAL-2为15,275个（8019下调/7256上调）；两品种合并干旱vs灌溉为5350个（3474上调/1876下调）。转录因子：共注释2929个转录因子，分属69个家族，其中MYB相关242个（8.26%）、AP2/ERF 189个（6.45%）、WRKY 137个（4.68%）、C2H2 136个（4.64%）、bHLH 131个（4.47%）。干旱下AZ-4有65个上调TF（占上调转录本3.3%），CAL-2有55个（2.8%）；下调TF分别为255个（6.1%）和139个（4.5%）；两品种共享30个上调、97个下调TF。六大TF家族调控MVA/MEP通路：AP2/ERF（AZ-4 8上调/42下调，CAL-2 7上调/11下调）、bHLH（AZ-4 3上调/21下调，CAL-2 6上调/18下调）、bZIP（AZ-4 4上调/10下调，CAL-2 0上调/5下调）、NAC（AZ-4 10上调/21下调，CAL-2 4上调/12下调）、MYB（AZ-4 7上调/21下调，CAL-2 12上调/12下调）、WRKY（AZ-4 4上调/20下调，CAL-2 2上调/5下调）。水通道蛋白：AZ-4有23个、CAL-2有26个注释转录本，15个重叠；AZ-4中PIP1-2（log2FC +7.39）和PIP1-4（+2.48）显著上调，最下调为TIP型（-6.55）；CAL-2有7个显著上调，最高为TIP型（+8.17）及NIP5-1（+2.19），最下调为TIP1-2（-4.24）。GO富集：AZ-4中‘碳水化合物代谢过程’（-log10(padj)=14.85）、‘催化活性’（14.05）、‘氧化还原酶活性’（8.24）最显著；CAL-2中‘氧化还原酶活性’（14.61）、‘催化活性’（8.58）、‘转运蛋白活性’（7.83）最显著。KEGG通路：AZ-4富集‘植物激素信号转导’（8.57）、‘昼夜节律-植物’（3.45）、‘苯丙烷生物合成’（3.45）、‘淀粉和蔗糖代谢’（3.32）等；CAL-2富集‘半乳糖代谢’（5.06）、‘昼夜节律-植物’（2.85）、‘植物激素信号转导’（2.44）等。
研究结论
银胶菊AZ-4通过更广泛的转录重编程、内源资源管理和更强的橡胶生物合成基线调控来适应干旱；CAL-2则依赖精细的转录调控和外部防御策略维持稳定性。两品种共享核心胁迫响应机制，尤其是AP2/ERF、MYB和NAC转录因子家族，并利用六大TF家族（AP2/ERF、bHLH、bZIP、MYB、NAC、WRKY）调控MEP和MVA通路以影响萜类及天然橡胶生物合成。水通道蛋白PIP1-2、PIP1-4和NIP5-1的选择性上调可能是干旱下维持生理功能的补偿机制。研究为银胶菊抗旱性和橡胶生产潜力的分子机制提供了新见解，为干旱地区育种和遗传改良提供了依据。