Leaf structure， physiology and transcriptome analysis of Salsola collina in response to drought stress

doi:10.11686/cyxb2023085

Abstract

Abstract:

This research investigated the phenotypic， physiological and molecular mechanism of Salsola collina response to drought stress. Plants were cultivated in pots under a controlled， declining soil moisture regime， falling from 80% to 50% of field water holding capacity over 28 days with sample collection at 0， 7， 14 and 28 days.It was found that the palisade tissue changed from dense to sparse and the crystal clusters disappeared initially and then increased across the 28 days of increasing drought stress. The thickness of aqueous tissue initially increased and then decreased （P<0.05）. The area of the main vascular bundle and epidermis thickness after 28 days of drought stress ［（3099.72±151.88） μm² and （23.73±0.68） μm， respectively］ were significantly increased compared to control ［（2065.41±80.08） μm² and （13.71±1.26） μm］（P<0.05）. Again with increasing drought stress in 28-day-old seedlings， the leaf thickness increased but the area decreased （P<0.05）. Chlorophyll content decreased gradually （P<0.05）， superoxide dismutase （SOD） and peroxidase （POD） activities， proline and malondialdehyde （MDA） contents increased significantly （P<0.05）， H₂O₂ increased significantly at 14 days （P<0.05）， soluble protein content increased initially， then decreased under medium stress and increased under high stress （P<0.05）. Compared with day 0， there were 103， 1560 and 270 differentially expressed genes （DEGs） detected at 7， 14 and 28 days of drought stress， respectively. Gene ontology （GO） enrichment analysis showed that DEGs were significantly enriched in protein phosphatase type Ⅰ complex， integral components of membranes， oxidation-reduction process and oxidoreductase activity， among others. The Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes （KEGG） enrichment analysis showed that the genomes were significantly concentrated on oxidative phosphorylation， ribosome and phototransduction pathways. Abiotic stresses pathway DEGs analysis showed that heat shock protein genes， glutathione peroxidase 2 （GPX2）， POD， SOD， calcium-dependent protein kinase 19 （CPK19） and CBL-interacting protein kinase 9 （CIPK9）， MAP kinase genes， transcription factor protein degradation pathway genes， UDP-glucuronate decarboxylase 1（UXS1） and flavanone 3-hydroxylase（F3H）， among others， were involved in the regulation of drought stress responses. The results provide a reference point for further research on the drought resistance mechanism of S. collina.

Key words: arid zone plant, stress, anatomical structure, physiological property, molecular regulation

Jiong-rui TAN, Tong-gang ZHA, Ze-yu ZHANG, Xiao-xia ZHANG, Hong-mei TENG, Ling-li WANG, Li-li ZHAO, Ao WANG, Xin-yao WANG. Leaf structure， physiology and transcriptome analysis of Salsola collina in response to drought stress[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(1): 75-88.

Figures/Tables 10

References 37

1	Diatta A A， Fike J H， Battaglia M L， et al. Effects of biochar on soil fertility and crop productivity in arid regions： a review. Arabian Journal of Geosciences， 2020， 13（14）： 595.
2	O’connell E. Towards adaptation of water resource systems to climatic and socio-economic change. Water Resources Management， 2017， 31（10）： 2965-2984.
3	Liu J S. Plant physiology. Beijing： Higher Education Press， 2006： 220-222.
	刘继澍. 植物生理学. 北京：高等教育出版社， 2006： 220-222.
4	Zhang H， Zhu J， Gong Z， et al. Abiotic stress responses in plants. Nature Reviews Genetics， 2022， 23（2）： 104-119.
5	Hirt H. Connecting oxidative stress， auxin， and cell cycle regulation through a plant mitogen-activated protein kinase pathway. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2000， 97（6）： 2405-2407.
6	Baxter A， Mittler R， Suzuki N. ROS as key players in plant stress signalling. Journal of Experimental Botany， 2014， 65（5）： 1229-1240.
7	Xu Z， Jiang Y， Zhou G. Response and adaptation of photosynthesis， respiration， and antioxidant systems to elevated CO₂ with environmental stress in plants. Frontiers in Plant Science， 2015， 6： 701.
8	Mansoor S， Ali W O， Lone J K， et al. Reactive oxygen species in plants： from source to sink. Antioxidants， 2022， 11（2）： 225.
9	Zhao Y， Wei X， Ji X， et al. Endogenous NO-mediated transcripts involved in photosynthesis and carbohydrate metabolism in alfalfa （Medicago sativa L.） seedlings under drought stress. Plant Physiology and Biochemistry， 2019， 141： 456-465.
10	Li S， Fan C， Li Y， et al. Effects of drought and salt-stresses on gene expression in Caragana korshinskii seedlings revealed by RNA-seq. BMC Genomics， 2016， 17（1）： 200.
11	Yang F， Lv G. Combined analysis of transcriptome and metabolome reveals the molecular mechanism and candidate genes of Haloxylon drought tolerance. Frontiers in Plant Science， 2022， 13： 1020367.
12	Yan D H. Genome-wide transcriptional response and expressed NF-YB genes of Populus euphratica to drought stress. Beijing： Beijing Forestry University， 2013.
	严东辉. 胡杨干旱响应转录组及NF-YB基因表达谱. 北京：北京林业大学， 2013.
13	Duan N. Growth and physiological and transcriptomic studies in responses to nitrogen addition and drought stress in Nitraria tangutorum. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2019.
	段娜. 白刺对氮添加和干旱胁迫的生长生理响应及转录组学研究. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2019.
14	Jin M， Su Y H. Identification and analysis on transcription factor genes from Ammopiptanthus mongolicus in responding to abiotic stress. Journal of Plant Resources and Environment， 2018， 27（1）： 1-10.
	金曼，苏彦华. 沙冬青响应非生物胁迫的转录因子基因鉴定与分析. 植物资源与环境学报， 2018， 27（1）： 1-10.
15	Bai W J. Effects of vegetation restoration on soil quality and plant physio-ecological adaptability in water-wind erosion region. Yangling： Chinese Academy of Sciences， 2010.
	白文娟. 水蚀风蚀交错带植被恢复对土壤质量的影响与植物生理生态适应性. 杨凌：中国科学院， 2010.
16	Peng L， Zhang L， Zhou X L， et al. Effects of water stress on life history strategy of Salsola nitraria in Zhundong， Xinjiang. Acta Prataculturae Sinica， 2021， 30（5）： 65-74.
	彭磊，张力，周小龙，等. 水分胁迫对新疆准东地区钠猪毛菜的生活史对策的影响. 草业学报， 2021， 30（5）： 65-74.
17	Wen Z B， Feng Y. Biodiversity and geographical distribution of the genus Salsola L. in Xinjiang. Arid Zone Research， 2020， 37（1）： 185-192.
	闻志彬，冯缨. 新疆猪毛菜属植物多样性及其地理分布特征. 干旱区研究， 2020， 37（1）： 185-192.
18	Chen P， Jiang L， Yang W， et al. Seed germination response and tolerance to different abiotic stresses of four Salsola species growing in an arid environment. Frontiers in Plant Science， 2022， 13： 892667.
19	Elnaggar R A， El-Keblawy A， Mosa K， et al. Adaptive drought tolerance during germination of Salsola drummondii seeds from saline and non-saline habitats of the arid Arabian Deserts. Botany， 2018， 97（2）： 123-133.
20	Zhang Y H， Wang Y L， Xia C L， et al. Cloning and analysis of NADP-ME gene family and promoters in Salsola laricifolia. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica， 2022， 42（5）： 760-769.
	张玉慧，王玉兰，夏春兰，等. 松叶猪毛菜NADP-苹果酸酶基因家族及启动子克隆分析. 西北植物学报， 2022， 42（5）： 760-769.
21	Wu X F， Yang F， Yan X Y， et al. Response of hydraulic resistances of soil-Robinia pseudoacacia system of water stress. Research of Soil and Water Conservation， 2022， 29（2）： 274-280.
	武小飞，杨帆，岩晓莹，等. 土壤-刺槐系统水流阻力对水分胁迫的响应. 水土保持研究， 2022， 29（2）： 274-280.
22	Li L， Li N H， Jiang S M. Experimental guide of plant physiology module. Beijing： Science Press， 2009： 37-103.
	李玲，李娘辉，蒋素梅. 植物生理学模块实验指导. 北京：科学出版社， 2009： 37-103.
23	Li L， Yu D， Zhao F， et al. Genome-wide analysis of the calcium-dependent protein kinase gene family in Gossypium raimondii. Journal of Integrative Agriculture， 2015， 14（1）： 29-41.
24	Pandey G K， Kanwar P， Singh A， et al. Calcineurin B-like protein-interacting protein kinase CIPK21 regulates osmotic and salt stress responses in Arabidopsis. Plant Physiology， 2015， 169（1）： 780-792.
25	Ma Q J， Sun M H， Lu J， et al. An apple sucrose transporter MdSUT2.2 is a phosphorylation target for protein kinase MdCIPK22 in response to drought. Plant Biotechnology Journal， 2019， 17（3）： 625-637.
26	Zhang H， Liu D， Yang B， et al. Arabidopsis CPK6 positively regulates ABA signaling and drought tolerance through phosphorylating ABA-responsive element-binding factors. Journal of Experimental Botany， 2020， 71（1）： 188-203.
27	Ma X. Responses and regulation mechanisms of CaCIPKs under drought and cold stresses in Capsicum annuum. Xianyang： Northwest A & F University， 2022.
	马潇. 辣椒CaCIPKs对干旱和低温胁迫的响应及其调控机理研究. 咸阳：西北农林科技大学， 2022.
28	Liu D D， Zhu M， Hao L L， et al. GhMAPKKK49， a novel cotton （Gossypium hirsutum L.） MAPKKK gene， is involved in diverse stress responses. Acta Physiologiae Plantarum， 2015， 38（1）： 1-12.
29	Zhu X， Zhang N， Liu X， et al. Mitogen-activated protein kinase 11（MAPK11） maintains growth and photosynthesis of potato plant under drought condition. Plant Cell Reports， 2021， 40（3）： 491-506.
30	Mahmood T， Khalid S， Abdullah M， et al. Insights into drought stress signaling in plants and the molecular genetic basis of cotton drought tolerance. Cells， 2019， 9（1）： 105.
31	Qi W L， Ren Y H， Yang C R， et al. Signal transduction and transcriptome analysis of reactive oxygen species in mulberry under drought stress. Agricultural Research in the Arid Areas， 2023， 41（2）： 50-60.
	祁伟亮，任迎虹，杨财容，等. 干旱胁迫下桑树活性氧信号传导及转录组分析. 干旱地区农业研究， 2023， 41（2）： 50-60.
32	Gao P F， Zhang J， Fan W F， et al. Effects of drought stress on root characteristics structure and physiological characteristics of Potentilla bifurca var. glabrata. Acta Prataculturae Sinica， 2022， 31（2）： 203-212.
	高鹏飞，张静，范卫芳，等. 干旱胁迫对光叉委陵菜根系特征、结构和生理特性的影响. 草业学报， 2022， 31（2）： 203-212.
33	Guan S J， Wang N， Xu R R， et al. Photosynthesis， antioxidant enzyme activity， and transcriptome sequencing analyses of Glycyrrhiza uralensis seedlings in response to drought stress. Pratacultural Science， 2021， 38（11）： 2176-2190.
	关思静，王楠，徐蓉蓉，等. 甘草幼苗响应干旱胁迫的光合、抗氧化特性及转录组分析. 草业科学， 2021， 38（11）： 2176-2190.
34	Wan L Y， Su W， Li B， et al. Molecular analysis of formation of drought tolerance traits in peanut. Chinese Journal of Oil Crop Sciences， 2018， 40（3）： 335-343.
	万丽云，苏威，李蓓，等. 花生苗期干旱处理后转录和代谢通路分析. 中国油料作物学报， 2018， 40（3）： 335-343.
35	Zsigmond L， Rigó G， Szarka A， et al. Arabidopsis PPR40 connects abiotic stress responses to mitochondrial electron transport. Plant Physiology， 2008， 146（4）： 1721-1737.
36	Su P X， An L Z， Ma R J， et al. Kranz anatomy and C₄ photosynthetic characteristics of two desert pants， Haloxylon ammodendron and Calligonum mongolicum. Acta Phytoecologica Sinica， 2005， 29（1）： 1-7.
	苏培玺，安黎哲，马瑞君，等. 荒漠植物梭梭和沙拐枣的花环结构及C₄光合特征. 植物生态学报， 2005， 29（1）： 1-7.
37	Han R L， Li L X， Liang Z S. Seabuckthorn relative membrane conductivity and osmotic adjustment under drought stress. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica， 2003， 23（1）： 23-27.
	韩蕊莲，李丽霞，梁宗锁. 干旱胁迫下沙棘叶片细胞膜透性与渗透调节物质研究. 西北植物学报， 2003， 23（1）： 23-27.

基因编号Gene ID	正向引物Forward primers（5′-3′）	反向引物Reverse primers （3′-5′）
TR16542_c0_g1	TGCTAACGGTTGGAGATGCT	TGCAGCAATTTTGGGGTTGC
TR17024_c0_g1	CGTTGTCGTCGTTGCTCTTC	CCTATCCGATCCATGGCAGG
TR17405_c0_g1	TTGGGCTAGTGATGGAGGGA	GCAATTGGGATCCGAACACG
TR2171_c0_g1	AAGAAACCACGAAACGCACG	GTGTGTCGGTTCAAGTTGCC
TR5292_c0_g1	GTGGAGCTTGCCTCCAAAGA	CATGGGTCCCACATCGACTC
TR7123_c0_g1	ACTATCGGGGGTAGCCAACT	CGAGCTTATTGGCCTCGGAT
EF1A	TGGTCGTTTTGCTGTGAGGG	GCAGCCTTGGTCACCTTTG

基因编号Gene ID	正向引物Forward primers（5′-3′）	反向引物Reverse primers （3′-5′）
TR16542_c0_g1	TGCTAACGGTTGGAGATGCT	TGCAGCAATTTTGGGGTTGC
TR17024_c0_g1	CGTTGTCGTCGTTGCTCTTC	CCTATCCGATCCATGGCAGG
TR17405_c0_g1	TTGGGCTAGTGATGGAGGGA	GCAATTGGGATCCGAACACG
TR2171_c0_g1	AAGAAACCACGAAACGCACG	GTGTGTCGGTTCAAGTTGCC
TR5292_c0_g1	GTGGAGCTTGCCTCCAAAGA	CATGGGTCCCACATCGACTC
TR7123_c0_g1	ACTATCGGGGGTAGCCAACT	CGAGCTTATTGGCCTCGGAT
EF1A	TGGTCGTTTTGCTGTGAGGG	GCAGCCTTGGTCACCTTTG

胁迫天数 Stress days （d）	栅栏组织厚度 Thickness of palisade tissue （μm）	贮水组织厚度 Thickness of aqueous tissue （μm）	主维管束面积 Area of main vascular bundle （μm²）	表皮厚度 Epidermal thickness （μm）	叶片厚度 Leaf thickness （μm）	叶面积 Leaf area （mm²）
0	43.15±3.49a	149.66±19.62b	2065.41±80.08b	13.71±1.26b	506.29±3.50b	42.22±2.65a
7	52.30±2.28a	210.09±15.68a	2374.54±218.09b	15.03±0.97b	573.27±17.04a	30.46±1.89b
14	43.23±3.31a	166.67±8.20ab	2776.56±155.15ab	16.08±2.64b	554.08±24.05a	37.41±2.18ab
28	38.89±6.13b	140.55±18.48b	3099.72±151.88a	23.73±0.68a	531.21±21.83a	36.40±2.94ab

胁迫天数 Stress days （d）	栅栏组织厚度 Thickness of palisade tissue （μm）	贮水组织厚度 Thickness of aqueous tissue （μm）	主维管束面积 Area of main vascular bundle （μm²）	表皮厚度 Epidermal thickness （μm）	叶片厚度 Leaf thickness （μm）	叶面积 Leaf area （mm²）
0	43.15±3.49a	149.66±19.62b	2065.41±80.08b	13.71±1.26b	506.29±3.50b	42.22±2.65a
7	52.30±2.28a	210.09±15.68a	2374.54±218.09b	15.03±0.97b	573.27±17.04a	30.46±1.89b
14	43.23±3.31a	166.67±8.20ab	2776.56±155.15ab	16.08±2.64b	554.08±24.05a	37.41±2.18ab
28	38.89±6.13b	140.55±18.48b	3099.72±151.88a	23.73±0.68a	531.21±21.83a	36.40±2.94ab

项目 Item	GO编号 GO ID	条目 Term	种类 Category	基因数目 Gene number	P值 P value
7 d Vs 0 d	0035966	对拓扑错误蛋白质的响应Response to topologically incorrect protein	BP	4	0.00
	0030968	内质网未折叠蛋白反应Endoplasmic reticulum unfolded protein response	BP	3	0.00
	0034620	细胞对未折叠蛋白的反应Cellular response to unfolded protein	BP	3	0.00
	0035967	细胞对拓扑错误蛋白质的反应Cellular response to topologically incorrect protein	BP	3	0.00
	0006986	对未折叠蛋白的反应Response to unfolded protein	BP	3	0.00
	0004108	柠檬酸（Si）合酶活性Citrate （Si）-synthase activity	MF	1	0.00
	0036440	柠檬酸合成酶活性Citrate synthase activity	MF	1	0.00
	0004686	延伸因子-2激酶活性Elongation factor-2 kinase activity	MF	1	0.00
	0016746	转移酶活性，转移酰基Transferase activity， transferring acyl groups	MF	3	0.00
	0004611	磷酸烯醇丙酮酸羧激酶活性Phosphoenolpyruvate carboxykinase activity	MF	1	0.00
	0016222	前胶原蛋白-脯氨酸4-双加氧酶复合物Procollagen-proline 4-dioxygenase complex	CC	1	0.00
	0005610	层粘连蛋白-5复合体Laminin-5 complex	CC	1	0.01
	0000164	蛋白质磷酸酶1型复合体Protein phosphatase type 1 complex	CC	1	0.01
	0043256	层粘连蛋白复合体Laminin complex	CC	1	0.02
	0005844	多核糖体Polysome	CC	1	0.04
14 d Vs 0 d	0009987	细胞过程Cellular process	BP	565	0.00
	0010033	对有机物的反应Response to organic substance	BP	140	0.00
	0042221	对化学物质的反应Response to chemical	BP	177	0.00
	0070887	细胞对化学刺激的反应Cellular response to chemical stimulus	BP	130	0.00
	0043604	酰胺生物合成过程Amide biosynthetic process	BP	82	0.00
	0005515	蛋白结合Protein binding	MF	405	0.00
	0005488	结合Binding	MF	501	0.00
	0003674	分子功能Molecular function	MF	593	0.00
	0005198	结构分子活性 Structural molecule activity	MF	61	0.00
	0004857	酶活性抑制剂Enzyme inhibitor activity	MF	31	0.00
	0070062	细胞外的外泌体Extracellular exosome	CC	250	0.00
	0043230	细胞外的细胞器Extracellular organelle	CC	250	0.00
	1903561	细胞外囊泡Extracellular vesicle	CC	250	0.00
	0005615	细胞外空隙Extracellular space	CC	272	0.00
	0044421	细胞外区部分Extracellular region part	CC	275	0.00
28 d Vs 0 d	0006464	细胞蛋白修饰过程Cellular protein modification process	BP	2	0.01
	0018298	蛋白质-发色团链接Protein-chromophore linkage	BP	2	0.01
	0036211	蛋白质修饰过程Protein modification process	BP	2	0.01
	0043412	大分子修饰Macromolecule modification	BP	2	0.01
	0055114	氧化还原过程Oxidation-reduction process	BP	3	0.05
	0009055	电子传递活性Electron transfer activity	MF	3	0.01
	0016168	叶绿素结合Chlorophyll binding	MF	2	0.02
	0045156	电子转运体Electron transporter	MF	2	0.02
	0016491	氧化还原酶活性Oxidoreductase activity	MF	3	0.03
	0005506	铁离子结合Iron ion binding	MF	2	0.06
	0016021	膜整体组件Integral component of membrane	CC	4	0.00
	0031224	膜的固有成分Intrinsic component of membrane	CC	4	0.00
	0044425	膜部分Membrane part	CC	4	0.01
	0016020	膜Membrane	CC	4	0.02
	0009521	光合系统Photosystem	CC	2	0.02