小豆芽期耐盐种质资源筛选与耐盐机制分析 作物学报    2026, 52 (10): 2939-2960.   DOI: 10.3724/SP.J.1006.2026.64051

表3 前3个主成分因子的特征值、对原始指标的载荷矩阵和对表型的贡献率

正文中引用本图/表的段落

盐碱地面积的不断扩大对作物生产构成严峻挑战, 挖掘小豆耐盐种质并解析其耐盐分子机制, 对扩大小豆适种区域、保障粮食安全具有重要意义。本研究以110份小豆种质资源为研究对象, 利用隶属函数和主成分分析, 将11个生长指标简化为3个综合指标, 并筛选出耐盐品种东掌小红豆和盐敏感品种特红3号。生理生化指标测定显示, 东掌小红豆在抗氧化和渗透调节能力方面显著优于特红3号。转录组分析发现, 相比对照组, 在盐处理组的东掌小红豆和特红3号中分别鉴定出3801个和7811个差异表达基因。经GO和KEGG分析表明, 这些基因主要参与代谢过程、细胞过程等生物学途径; 结合转录组和qRT-PCR鉴定到3个可能与耐盐相关的基因(LOC108343245、LOC108346293、LOC108331871), 这3个基因主要参与淀粉和糖代谢途径。本研究筛选出小豆耐盐种质, 并推测鉴定到的耐盐基因可能通过参与淀粉和糖代谢途径来调控小豆耐盐, 为培育小豆耐盐新品种和盐碱地利用提供了理论依据。

在相关性分析的基础上, 利用主成分分析方法可以筛选出具有代表性的综合评价指标。各主成分因子的特征值、对原始指标的载荷矩阵和对表型的贡献率如表3所示。结果表明, 主成分1的贡献率为44.54%, 与相对胚芽长、相对发芽指数和相对胚芽鲜重相关性最大, 表明该主因子主要反映了胚芽的生长状况及萌发情况; 主成分2的贡献率为18.30%, 与相对胚根鲜重的相关性最大, 说明该主因子能够较好地反映小豆胚根生长的状况; 主成分3的贡献率为9.61%, 与相对胚根鲜重的相关性最大, 表明该主因子主要反映了胚根的生长情况。前3个主成分的累计方差贡献率达到70%以上, 说明这3个主成分基本代表了这11个性状的信息量。因此, 这11个指标可简化为3个综合指标, 用于小豆种质资源的耐盐性综合评价分析。

为揭示耐盐与盐敏感品种的生理响应差异, 以筛选出的东掌小红豆(高耐盐)和特红3号(盐敏感)为材料, 采用70 mmol L-1 NaCl溶液对2个品种进行了7 d的浸种试验, 测定发芽表型及生理生化指标。结果表明, 在对照条件下, 2个品种之间的发芽表型性状差异不明显; 在盐胁迫下, 2个品种的所有发芽表型指标均下降, 但特红3号的下降幅度大于东掌小红豆(图4)。在盐胁迫处理后, 2个品种的过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性和可溶性糖(SS)、脯氨酸(Pro)含量均较对照组升高(图5), 在这些指标中, 除可溶性糖外, 其他指标均为东掌小红豆上升幅度大于特红3号。东掌小红豆的超氧化物歧化酶(SOD)活性在盐胁迫后显著升高, 特红3号则显著降低。东掌小红豆的过氧化氢(H₂O₂)含量在盐处理后基本维持不变, 而特红3号显著升高。淀粉(ST)含量在东掌小红豆中无显著变化, 在特红3号中显著降低。综合各项生理生化指标, 2个品种在盐胁迫下表现出不同的生理调控策略, 东掌小红豆的抗氧化能力和渗透调节能力均优于特红3号, 更能适应盐胁迫环境。

基于差异表达基因和KEGG富集结果分析, 从淀粉和蔗糖代谢通路中筛选出3个在东掌小红豆和特红3号的对照组中表达差异不显著, 而在盐处理后表达差异显著的基因。这3个基因分别为蔗糖合酶基因(LOC108343245)、α-淀粉酶基因(LOC108346293)和4-α-葡聚糖转移酶基因(LOC108331871)。它们在淀粉和蔗糖代谢通路中的位置及催化关系如图7所示。转录组表达分析及qRT-PCR验证结果显示(图7), 3个基因在2个品种中呈现出不同的表达模式。在盐处理后, 蔗糖合酶(sucrose synthase, SUS)基因在2个品种中均下调, 东掌小红豆下调为对照的0.15倍, 特红3号下调为对照的0.72倍, 前者下调更显著(P < 0.05); α-淀粉酶(α-amylase, AMY)基因仅在东掌小红豆中显著上调, 在特红3号中无显著变化。4-α-葡聚糖转移酶(4-α-glucanotransferase, malQ)基因在东掌小红豆中显著上调, 上调为对照的1.6倍, 在特红3号中则是显著下调, 为对照的0.18倍。以上结果表明, 耐盐品种东掌小红豆通过下调SUS基因、上调AMY基因和malQ基因响应盐胁迫; 而盐敏感品种特红3号则表现为SUS基因下调(但下调幅度小于东掌小红豆)、AMY基因无显著变化、malQ基因下调。这表明2个品种在淀粉和蔗糖代谢通路的分子调控上存在显著差异, 这可能是导致二者耐盐性差异的重要原因之一。

植物耐盐性是一种由生理生化、细胞形态及分子调控等多层面机制协同调控的复杂性状, 涉及渗透调节、离子稳态维持、活性氧清除、细胞壁加固、激素信号转导等一系列相互关联的过程[19-21]。其复杂性不仅体现在调控通路的多元性, 更表现为耐盐能力的显著差异——不同品种或者同一品种的不同发育时期, 即使在相同胁迫条件下也会呈现明显不同的耐盐表型, 因此单一指标难以准确衡量作物的耐盐性。Wu等[22]以40份芹菜种质资源为材料, 采用主成分分析法确定了评价耐盐性的重要指标, 包括株高、冠幅、可溶性蛋白含量等; Xu等[23]以不同地区培育的70个小麦品种为研究对象, 测定小麦萌发和幼苗期种子的相对吸水率、吸水率、裂开率、萌发率、萌发指数, 以及苗高、根长、茎粗、生物量等, 并采用多因素统计分析对耐盐性进行鉴定和评价。Li等[24]以430个自然高地棉花种群为材料, 通过主成分分析和基于48个与耐盐性相关联的表型性状的聚类分析, 鉴定出30个耐盐性、114个弱耐盐性、39个盐敏感性和4个高度敏感材料。本研究以110份小豆种质资源为研究对象, 通过主成分分析, 将11个生长指标简化为3个综合指标, 其累计贡献率达72.455%, 有效浓缩了原始数据信息并消除了指标间的冗余。基于此建立的耐盐性综合评价值模型, 结合聚类分析, 成功将110份种质划分为5个耐盐等级, 高效筛选出以东掌小红豆(XD005)为代表的高耐盐种质和以特红3号(XD035)为代表的盐敏感种质。这套评价体系不仅为小豆芽期耐盐性鉴定提供了标准化、可操作的方案, 也为其他豆科作物的耐逆性筛选提供了参考。

在淀粉代谢方面, α-淀粉酶基因LOC108346293在东掌小红豆中的表达上调, 而在特红3号中的表达无显著变化。该酶是一类重要的内切糖苷水解酶, 通过随机切割淀粉分子内部的α-1,4糖苷键, 将其分解为麦芽糖、糊精和葡萄糖等小分子物质, 为植物生长发育提供能量和碳源[41-42]。与此同时, 参与淀粉结构调控的4-α-葡萄糖基转移酶(malQ)基因LOC108331871在品种间特异性表达, 进一步说明淀粉代谢的精细调控与结构稳定性对小豆耐盐的重要性[43-44]。类似地, 黄瓜耐盐性也与其同化物运输和积累的调控密切相关[45]。本研究KEGG富集分析同样表明, 淀粉和蔗糖代谢是盐响应的核心差异通路。

本文的其它图/表

• 附表1 110份小豆种质资源来源信息
  
• 表1 qRT-PCR所用引物序列
  
• 表2 110份小豆种质资源盐处理组和对照组生长指标的描述性统计分析
  
• 图1 110份小豆种质资源盐处理前后生长指标分布特征
  缩写同表2。CK: 对照; ST: 盐处理。
  
• 图2 盐处理下小豆各指标的相关性分析
  RGP: 相对发芽势; RGR: 相对发芽率; RLRN: 相对侧根数; RGL: 相对胚芽长; RRL: 相对胚根长; RFWG: 相对胚芽鲜重; RFWR: 相对胚根鲜重; RDWG: 相对胚芽干重; RDWR: 相对胚根干重; RGI: 相对发芽指数; RVI: 相对活力指数。^*、^**和^***分别表示在0.05、0.01和0.001水平相关性显著。
  
• 表4 110份小豆种质资源的综合指标值(CI)、隶属函数值U(x)和综合评价值(D)以及耐盐水平排序
  
• 图3 110份小豆种质资源耐盐性的聚类分析
  编号对应品种同附表1。
  
• 图4 盐胁迫下特红3号和东掌小红豆发芽表型差异
  缩写同表2。TCK: 特红3号对照组; DCK: 东掌小红豆对照组; TST: 特红3号盐处理组; DST: 东掌小红豆盐处理组。不同小写字母表示组间差异显著(P < 0.05) (n = 3)。比例尺为1 cm。
  
• 图5 盐处理对特红3号和东掌小红豆生理指标的影响
  处理同图4。CAT: 过氧化氢酶; POD: 过氧化物酶; SOD: 超氧化物歧化酶; H₂O₂: 过氧化氢; SS: 可溶性糖; ST: 淀粉; Pro: 脯氨酸。不同小写字母表示组间差异显著(P < 0.05) (n = 3)。
  
• 图6 东掌小红豆与特红3号在盐胁迫下的转录组分析
  A: 样本间聚类热图; B: 主成分分析图; C: 差异表达基因火山图。处理同图4。
  
• 附图1 盐胁迫下东掌小红豆与特红3号差异表达基因的GO与KEGG富集分析
  A: DCK vs DST的GO富集分析; B: TCK vs TST的GO富集分析; C: DCK vs DST的KEGG富集气泡图; D: TCK vs TST的KEGG富集气泡图。处理同图4。
  
• 图7 3个差异表达基因参与淀粉与蔗糖代谢通路
  处理同图4。淀粉和蔗糖代谢通路局部图, 展示了蔗糖合酶(SUS)、α-淀粉酶(AMY)、4-α-葡聚糖转移酶(malQ)在通路中的位置及催化关系。每个酶左侧为转录组相对表达量柱状图, 右侧为qRT-PCR相对表达量柱状图。不同小写字母表示组间差异显著(P < 0.05); n = 3。矩形代表基因, 椭圆形代表代谢物。