2024年发表在 Molecular Ecology 期刊上的一项研究，由山东师范大学 Bing Cui、Ranran Liu、Qiong Yu、Jianrong Guo 和 Xihua Du 等人共同完成，对一种可食用的耐盐植物——碱蓬（Suaeda salsa）进行了基因组和转录组分析，揭示了其适应高盐环境的遗传进化机制。
盐胁迫是限制植物生长和降低作物产量的主要环境胁迫因素。阐明植物对盐胁迫的耐受机制对培育耐盐品种和利用盐碱土壤具有重要价值。目前，研究人员在植物耐盐机制方面已取得了一定进展，包括盐分排除、渗透调节和抗氧化防御等机制。然而，大多数关于耐盐机制的研究主要在拟南芥和水稻等模式植物中进行，这些植物并非真正的耐盐植物。
碱蓬是一种典型的盐生植物（halophyte），属于苋科（Amaranthaceae）藜亚科（Chenopodioideae），广泛分布于欧洲和亚洲的盐碱地区，尤其是中国北部。碱蓬能在高达400 mM的NaCl浓度下正常生长，同时具有很高的食用和药用价值，其嫩枝叶富含蛋白质、粗纤维、维生素、氨基酸和类黄酮，种子油富含不饱和脂肪酸。此外，碱蓬还可用作牲畜饲料和重金属污染土壤的修复植物。
研究人员推测，碱蓬可能进化出许多耐盐相关基因，使其能够适应高盐环境。然而，由于缺乏高质量的基因组数据，之前尚未有研究从遗传进化角度全面分析碱蓬的耐盐性。本研究旨在构建碱蓬基因组参考序列，深入了解植物耐盐机制，为培育耐盐作物提供科学依据。
研究人员从中国黄河三角洲（N37°20′, E118°36′）收集碱蓬种子，在山东师范大学繁殖三代。2019年7月，将第三代纯化种子种植在盆中，培养50天后收集碱蓬幼苗叶片，使用CTAB方法提取基因组DNA。
研究团队采用多种测序技术进行基因组测序： 1. Illumina HiSeq X Ten进行短片段测序 2. PacBio Sequel进行长片段测序（插入片段大小为20 kb） 3. Hi-C技术进行染色体水平组装
总共获得169.45 Gb高质量序列（基因组覆盖率378倍）用于从头组装。通过Hi-C数据将423.68 Mb基因组序列映射到9条假染色体上（Contig N50 = 1.36 Mb，Scaffold N50 = 47.19 Mb），占碱蓬基因组的96.82%。
通过多种注释软件（Augustus、GlimmerHMM、SNAP、Genscan和GeneiD）预测蛋白质编码基因。使用BUSCO和CEGMA评估基因组组装完整性，分别达到87.4%和95.97%。通过同源预测和从头预测方法对转座元件（TEs）进行注释。
将碱蓬基因组与11种植物基因组进行比较，包括单子叶植物水稻和10种双子叶植物。通过聚类分析识别基因家族，并使用单拷贝同源基因构建系统发育树，估计碱蓬的分化时间。使用CAFÉ分析碱蓬基因家族的扩张和收缩。
将碱蓬幼苗在不同浓度NaCl（0、200和500 mM）处理后，收集成熟叶片和根部进行RNA提取和转录组测序。使用StringTie进行组装，featureCounts进行基因表达定量，DESeq2进行差异表达分析。
研究人员从碱蓬和拟南芥中提取耐盐相关基因的启动子序列（编码区上游2 kb），使用PlantCARE识别顺式作用元件，并比较两种植物中元件的数量和类型。
碱蓬基因组组装大小为447.98 Mb，GC含量为35.67%，共预测到27,927个蛋白质编码基因，95.51%的基因可分配预测功能。基因组中58.03%由转座元件组成，其中长末端重复反转座子（LTR-RTs）占最大比例（46.53%）。LTR-RTs插入时间分析显示单峰分布，时间点约为0.5百万年前。
通过12个物种的基因家族聚类分析，共获得15,800个基因家族，包括437个单拷贝基因家族。在5个藜科物种中，共有6,754个共同基因家族，201个基因家族特异于碱蓬。GO分析显示，这些特异基因家族主要参与亚油酸代谢、组氨酸代谢、类黄酮生物合成和α-亚麻酸代谢。
系统发育树分析估计碱蓬分化时间约为3,560万年前。与其他11个植物物种比较，碱蓬有220个扩张基因家族和67个收缩基因家族。GO和KEGG分析显示，这些扩张基因家族主要参与苯丙氨酸代谢、苯丙烷类化合物生物合成和类黄酮生物合成途径，以及与胁迫响应、微量元素结合和氧化还原酶生产相关的生物过程。
基因组共线性分析表明，碱蓬与甜菜（Beta vulgaris）的染色体共线性较高，而与拟南芥和水稻的共线性较低，表明碱蓬与甜菜的进化距离较近。四倍简并位点转换（4DTv）距离分析显示，碱蓬、菠菜和甜菜共享一次全基因组复制事件。
研究人员分析了碱蓬、菠菜和拟南芥中几个与盐胁迫相关的基因家族数量，发现HKT1、NHX、SOS和卡氏带膜结构域蛋白（CASPs）等基因家族在碱蓬中显著扩张。
HKT1基因家族：碱蓬中鉴定出两个HKT1家族成员，分别位于染色体5和8上，在高盐处理下表达显著上调。
NHX基因家族：碱蓬中鉴定出18个NHX基因，比拟南芥多10个，在染色体1、4和9上呈串联重复，在盐胁迫下表达上调，峰值表达出现在不同时间。
SOS基因家族：碱蓬SOS基因家族由25个成员组成，比拟南芥多19个，均匀分布在9条染色体上，均在盐胁迫下上调表达。
CASP基因家族：碱蓬中鉴定出15个CASP基因家族成员，是拟南芥的3倍，在染色体4和9上呈串联重复，功能域高度保守，在高盐条件下表达显著上调。
此外，研究发现，220个扩张基因家族中，205个基因注释为阳离子结合基因，主要是锌离子结合基因（112个），其次是铁（42个）、锰（25个）、镁（11个）、铜（11个）和钙离子结合基因（9个）。252个与阴离子结合相关的基因中，165个为DNA结合基因，其次是67个ADP结合基因。
GO富集分析发现许多与类黄酮生物合成相关的基因家族。从碱蓬特异基因、扩张基因家族和正选择基因中选择16个与类黄酮合成相关的基因进行qPCR分析，发现所有这些基因在500 mM NaCl处理6-12小时后表达上调达到最高。
转录组数据分析显示，与锌、铁和锰吸收相关的基因在500 mM NaCl处理下表达显著上调，而在200 mM NaCl处理下表达无显著变化。类黄酮生物合成途径中的关键酶基因（PAL、4CL、CHS、CHI和FLS）在500 mM NaCl处理下显著上调，而在200 mM NaCl处理下表现不同。
研究人员比较了碱蓬和拟南芥中耐盐相关基因启动子的顺式作用元件，意外发现两者在元件数量上没有显著差异，这支持了植物耐盐性是一个量化性状而非质量性状的观点。
本研究首次构建了一种叶或茎多汁极耐盐植物的染色体水平基因组，为深入探索盐生植物耐盐机制提供了宝贵资源。主要结论包括：
在碱蓬进化过程中，几个与离子隔离和排除相关的关键基因家族（如HKT1、NHX、SOS和CASP）发生了扩张，可能在其根部离子排除中发挥关键作用。
碱蓬基因组中编码结合微量元素（如锌、铁、铜和锰）蛋白的基因以及与类黄酮和α-亚麻酸代谢相关的基因也发生了扩张，可能在维持碱蓬耐盐性中发挥重要作用。
高盐浓度（500 mM NaCl）显著上调了耐盐相关基因的表达，而低浓度盐（200 mM NaCl）对某些耐盐基因的表达没有显著影响，表明200 mM NaCl对碱蓬不构成胁迫。
转录组富集了多种次级代谢物的代谢途径，包括类黄酮、不饱和脂肪酸、硒化合物和维生素B6，表明碱蓬是一种营养丰富的蔬菜。
碱蓬和拟南芥中耐盐相关基因启动子的顺式作用元件数量没有显著差异，表明植物耐盐性是一个量化性状而非质量性状。
本研究为理解盐生植物的进化提供了有价值的信息，为植物耐盐性研究提供了新见解，也为未来培育耐盐作物提供了宝贵资源。