高羊茅是綠期相對較長、應用最廣泛的冷季型草坪草之一，其適宜生長溫度為15-25℃，較高的溫度會導致葉片提前衰老，嚴重影響高羊茅的草坪質量及觀賞價值。然而，隨著溫室效應日益加劇，我國長江中下游地區夏季經常出現38℃以上極端高溫，且持續時間較長。夏季高溫傷害被認為是利用和推廣高羊茅的主要限制因子。因此，研究高羊茅應答高溫脅迫的分子機理，可為培育耐高溫品種提供科學依據，使四季常綠草坪草成為可能。
高羊茅為異源六倍體，基因組龐大且復雜，目前仍未有參考基因組信息，而二代轉錄組的讀長缺陷易導致高羊茅基因的拼接不準確，嚴重阻礙了高羊茅響應高溫分子機理的研究。因此，本研究利用三代結合二代轉錄組測序，對‘獵狗5號’短期高溫（38℃，1h）、長期高溫（38℃/33℃，72h）和自然衰老的葉片進行轉錄組分析。結果發現（圖1），短期高溫顯著誘導大量熱激蛋白（HSPs）和熱激轉錄因子（HSFs）的表達，約占差異基因的一半，并特異性的誘導FK506結合蛋白（FKBPs），鈣信號通路相關基因、谷胱甘肽S-轉移酶基因（GSTs），光合作用相關基因及植物激素信號轉導基因的表達。與短期高溫不同，長期高溫僅誘導了少量HSPs和HSFs的表達，且51.67%的長期高溫響應基因與衰老響應基因重疊，包括上調表達的葉綠素代謝基因、植物激素合成及降解基因、脅迫相關基因及NAC轉錄因子，和下調表達的光合作用相關基因、FK506結合蛋白和過氧化氫酶（CAT）。隨后，分別對瞬時轉化短期高溫特異誘導的FaHsFA2a及長期高溫和衰老共同誘導的FaNAC029和FaNAM-B1的煙草進行高溫處理，發現與對照相比，過表達FaHsFA2a顯著降低高溫引起的細胞膜損害，而過表達FaNAC029和FaNAM-B1加重了熱處理條件下煙草細胞膜的損壞。此外，我們發現大量響應高溫脅迫及衰老的基因發生了可變剪切（AS），包括HSPs、HSFs和激素合成及信號轉導基因。基于以上結果，我們推測短期高溫通過激活熱響應基因的表達提高高羊茅的耐高溫能力，而長期高溫引發衰老相關基因的表達，導致高羊茅葉片的提前衰老。研究結果為探究高羊茅響應高溫脅迫及高溫誘導的衰老分子機制提供了基本信息，也為高羊茅耐高溫育種提供了候選基因。
研究成果以“SMRT and Illumina RNA sequencing reveal novel insights into the heat stress response and crosstalk with leaf senescence in tall fescue”為題，發表于國際學術期刊《BMC Plant Biology》。該研究由深圳大學、中科院武漢植物園及中南民族大學共同合作完成，武漢植物園曹麗雯博士為共同第一作者，陳良研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、山東省重大科技創新工程項目、中科院科技扶貧專項和中科院先導專項等資助。（文章鏈接：https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-020-02572-4）
圖1 高羊茅應答高溫脅迫及衰老的分子機制
