动态转录组揭示高湿高温下烟草叶片叶绿素降解的转录调控网络

《Frontiers in Plant Science》：Dynamic transcriptome unveils transcriptional network associated with chlorophyll degradation in tobacco leaves under high humidity and temperature

本研究通过整合63个样本的转录组数据与生理指标，系统阐明了烘烤过程中温湿度调控烟草叶绿素降解的转录网络。研究发现93%相对湿度（RH）下叶绿素降解速率较79% RH提高约两倍，并鉴定出PAO2、CLH6、SGR6、CLH5等关键基因的阶段性表达特征及其与ERF、NAC、MYB、WRKY等转录因子家族的关联性，为优化烟草烘烤工艺提供了分子靶点。

　　

引言

叶绿素（Chl）作为植物核心光合色素，其降解是叶片衰老、果实成熟及胁迫响应的关键过程。在烟草生产中，过量施氮导致的叶绿素过度积累（如“老憨烟”Laohan和“返青烟”Fanqing）会引发烘烤后叶面绿斑或返青，显著降低经济价值。尽管前期研究明确烘烤温湿度影响叶绿素降解，但氮代谢异常烟草在烘烤过程中的转录调控机制尚不清晰。

结果

高湿度加速烘烤期叶绿素降解

通过对比79% RH与93% RH下的烘烤过程，发现高湿度显著促进叶绿素降解。在对照组中，93% RH处理18小时后叶绿素a含量降至初始值的17%，而79% RH处理仅降至40%。Laohan和Fanqing烟草的叶绿素a初始含量分别达7380 μg/g和8140 μg/g（对照组为4000 μg/g），但在高湿度下降解更显著，表明高湿度对高叶绿素含量叶片具有更强促降解作用。

转录组揭示湿度响应核心通路

PCA分析显示不同湿度处理样本转录谱显著分离。DEGs数量随烘烤时间递增（6 h/12 h/18 h分别有373/703/911个DEGs）。GO富集分析表明，上调基因主要富集于“刺激响应”“热胁迫响应”“叶绿体组织”等通路，而下调基因关联“蛋白质折叠”“染色质组装”等过程。值得注意的是，叶绿体相关通路的富集始于12 h，与叶绿素降解加速期吻合。

关键基因PAO2与CLH6的阶段性表达

在对照组中，PAO2（Nitab4.5_0003134g0120）在12 h高湿度下表达显著下调，而CLH6（Nitab4.5_0004743g0040）在18 h高湿度下表达上调。相关性网络分析显示，PAO2与HSP（Nitab4.5_0003546g0070, R = -0.91）及ERF转录因子负相关；CLH6则与MYB（Nitab4.5_0000068g0400, R = 0.95）等9个HSP家族成员显著关联，提示湿度通过转录因子调控叶绿素降解关键酶。

高温胁迫激活SGR6与CLH5表达

相较于鲜样（0 h），38°C烘烤条件下SGR6（Nitab4.5_0000140g0110）表达上调约150倍，CLH5（Nitab4.5_0000252g0240）亦显著诱导。相关性分析识别出123个与SGR6关联的转录因子（如ERF、bZIP、NAC），其中69个同时与CLH5共表达，凸显高温通过多转录因子协同调控叶绿素降解。

讨论

本研究首次构建了烘烤环境因子与叶绿素降解的转录关联模型：高温主要通过诱导SGR6和CLH5驱动降解，而高湿度则阶段性调控PAO2（早期）和CLH6（晚期）。鉴定出的ERF、NAC、MYB等转录因子家族虽与胁迫响应和衰老相关，但其直接调控关系需通过双荧光素酶报告基因等实验进一步验证。此外，烘烤初期（黄化期）的高湿度管理可有效缓解氮过量导致的叶绿素残留，为优化工艺提供关键时间窗口。

结论

研究明确了温湿度协同调控烟草叶绿素降解的转录基础，鉴定出PAO2、CLH6、SGR6、CLH5等环境响应核心基因及关联转录因子，不仅为改良烟草烘烤适应性提供靶点，也为禾谷类作物的采后品质调控研究提供范式。

材料与方法

实验以“红花大金元”烟草为材料，设置标准氮（82.5 kg/ha）与高氮（142.5 kg/ha）处理，在38°C恒定温度下进行79% RH与93% RH烘烤。叶绿素含量通过高效液相色谱（HPLC）测定，转录组测序基于Illumina平台，DEGs分析采用DESeq2（|log₂FC| ≥ 1, FDR < 0.05），GO富集通过TBtools-II完成。