《Biology》：Study on the Transcriptome Response of Melon to Aaline—Alkaline Stress
Ting Wang,
Yan Zhang,
Nuerkaimaier Mulati,
Yifei Shu and
Huiqin Wang
编辑推荐：
本研究以“西开新”（Xikaixin）甜瓜为材料，通过不同配比（NaCl:NaHCO3= 1:1, 1:2, 2:1）的盐碱混合胁迫处理，进行了幼苗根系的转录组测序。研究发现植物激素信号转导是受最显著富集的核心通路，其中生长素（auxin）与脱落酸（ABA）平衡的调控是响应不同盐碱比例胁迫的关键。高盐（2:1）胁迫特异性上调了两个生长素相关基因（MELO3C013403、MELO3C004381），而高碱（1:2）胁迫下ABA相关基因占主导。此外，光合作用-捕光天线蛋白相关基因在高盐条件下显著下调，并与光合速率下降的生理表现一致。本研究揭示了甜瓜响应盐碱胁迫的品种特异性分子机制，为选育耐盐碱甜瓜新品种提供了候选基因和理论基础。
盐碱胁迫对甜瓜转录组响应机制的研究
材料与方法
本研究的实验材料为新疆南部主栽的耐盐碱甜瓜品种“西开新”（Xikaixin）。实验在幼苗三叶一心期，使用50 mmol·L-1的NaCl与NaHCO3混合溶液，设置了三种不同盐碱比的胁迫处理：T1（1:1）、T2（1:2）和T3（2:1），对照组（CK）则使用1/2浓度霍格兰（Hoagland）营养液。每个处理组设置4个生物学重复，以每个花盆（内含4株健壮幼苗）作为一个实验单元。胁迫处理持续9天。处理后，采集幼苗根系，通过改良的CTAB法提取总RNA。经质量检测合格的RNA样品用于构建cDNA文库，并在Illumina NovaSeq 6000平台上进行PE150测序。原始测序数据经质量控制和基因组比对后，通过生物信息学分析筛选差异表达基因（DEGs），并进行GO和KEGG功能富集分析。此外，研究还通过RT-qPCR验证了核心候选基因的表达，并使用便携式光合仪测定了胁迫下幼苗的光合速率。
结果与分析
1. 转录组测序结果与差异表达基因分析
经过质量控制，本研究共获得78.98 Gb的高质量测序数据，各样本Q30碱基百分比均高于96.61%，基因组比对率为97.00%–98.02%，数据质量满足后续分析要求。通过差异表达分析，发现在T1（1:1）、T2（1:2）和T3（2:1）三种盐碱胁迫处理下，分别鉴定出588、686和1107个DEGs。差异基因的数量随混合胁迫液中NaCl比例的增加而增多，其中下调基因的数量显著多于上调基因。
2. 差异表达基因的功能富集分析
KEGG通路富集分析结果显示，三种处理下的DEGs均显著富集在植物激素信号转导途径。其中，T3（2:1）处理组在该通路的富集最为显著。该通路内的两个生长素相关基因——生长素诱导蛋白基因MELO3C013403和生长素响应因子基因MELO3C004381——在T3（2:1）处理下特异性显著上调。此外，不同处理富集的通路具有盐碱比例特异性：T1（1:1）处理下富集了苯丙烷类生物合成等通路；T2（1:2）处理下富集了谷胱甘肽代谢等抗氧化相关通路；而T3（2:1）处理组则特异性地富集了光合作用-捕光天线蛋白通路，该通路的所有相关DEGs均表现为下调。
3. 核心候选基因表达分析与验证
RT-qPCR验证结果显示，两个生长素相关基因（MELO3C013403和MELO3C004381）的表达趋势与转录组数据完全一致，在T3（2:1）处理下显著上调（表达量是对照的2倍以上）。相反，捕光天线蛋白基因MELO3C021567的表达量则随着NaCl比例的增加而呈梯度下降趋势，在T3（2:1）处理时仅为对照的32%。这表明甜瓜通过调控特定基因的表达来适应不同盐碱比例的胁迫。
4. 核心通路的生理验证
为了验证基因表达与生理表型的关联，本研究测定了“西开新”甜瓜幼苗在不同处理下的净光合速率。结果显示，光合速率随着盐碱胁迫液中NaCl比例的增加而显著降低。在T3（2:1）处理下，光合速率仅为对照的47.9%。这一结果与MELO3C021567基因表达的下调趋势一致，表明该基因的转录水平变化可能是导致甜瓜在高盐胁迫下光合效率降低的重要原因之一。
讨论与结论
本研究发现，耐盐碱甜瓜品种“西开新”对不同配比的盐碱胁迫表现出了特异性的分子响应机制。植物激素信号转导是受胁迫影响最显著的通路，暗示着生长素与脱落酸之间的平衡调控可能是“西开新”适应混合盐碱胁迫的核心策略。高盐（NaCl比例高）胁迫会特异性诱导生长素相关基因的表达，这可能是甜瓜为缓解高浓度Na+离子毒害而启动的适应性反应。而高碱（NaHCO3比例高）胁迫则更倾向于激活ABA相关的调控网络。同时，高盐胁迫会显著抑制光合作用相关基因的表达，从而直接导致光合生理性能的下降。这些发现揭示了甜瓜在盐碱混合胁迫下，存在一种既具有物种保守性（如激素信号通路）又具备品种与胁迫配比特异性的复杂调控网络。研究鉴定出的核心基因（MELO3C013403、MELO3C004381、MELO3C021567）为后续深入解析甜瓜耐盐碱的分子机制以及分子育种提供了重要的候选靶点和理论依据。未来研究需要在多个时间点进行动态分析，并结合激素水平测定、基因功能验证等手段，以更完整地揭示其耐盐碱调控网络。
