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作为最严重的非生物胁迫之一，干旱正在对粮食安全和全球农业生产产生负面影响。水资源短缺是气候变化特别是全球变暖的必然结果，加之非农业用水的需求正在大量增加，从而对全球农业生产构成严峻挑战。因此，了解植物对干旱胁迫响应的分子机制，并开发出不同的方法来培育具有高抗旱性和可恢复性的优良品种意义重大。植物对干旱胁迫的分子反应包括感知信号、信号传导、基因表达和代谢调控等。植物能够通过综合和复杂的方式调节各种组合的功能基因的表达水平来感知环境变化和增强细胞适应逆境的能力。尽管近些年科研工作者们对抗旱工作进行了大量研究，但是对其分子机制还不十分清楚。
太行菊[Opisthopappustaihangensis(Ling)Shih]是太行菊属(Opisthopappus Shih)植物，为我国太行山区特有珍稀物种，仅见于豫、晋、冀三省交界的太行山区，具有重要的资源开发利用价值。太行菊分布范围狭窄，生境独特，具有耐旱，耐低温等优良特性，属国家珍稀濒危保护物种。因此，它是一种非常有价值的野生种质资源。但是截至目前对太行菊抗旱相关基因鲜有人研究，对其抗旱的分子机制知之甚少。本研究在对太行菊进行抗旱生理特征系统性分析的基础上，首次构建了太行菊干旱胁迫下的转录组和microRNA文库，并进行高通量测序和分析，挖掘了一批干旱胁迫相关的响应基因，从而为深入研究太行菊抗旱机理奠定基础。
用不同浓度的PEG6000对太行菊进行干旱处理，其中0％为对照组(CK)，5％为轻度干旱(L)，25％为重度干旱(H)。对不同干旱处理的太行菊叶片进行RWC、叶绿素含量和光合速率等生理指标的测定。结果表明，在干旱条件下太行菊的叶绿素含量和光合速率有一定的下降，但是叶片的持水性几乎没有变化。随着干旱的加重，太行菊叶片水分开始流失，叶绿素含量和光合效率也明显降低。对脯氨酸含量测定发现，太行菊能够通过诱导干旱胁迫下脯氨酸含量的增加而降低细胞渗透势，维持细胞水分含量，从而提高植物抗逆性。太行菊叶片中可溶性糖的含量随着干旱程度的加重而上升，表明太行菊通过可溶性糖的积累进行渗透调节，从而降低干旱胁迫对太行菊植株的伤害。太行菊受到干旱胁迫时，MDA含量增加，同时POD保护酶系统迅速激发，POD活性显著升高，以消除干旱胁迫时积累的大量活性氧，使植株受到的伤害减少。随着干旱胁迫程度增加，保护酶系统受到破坏，酶活力又逐渐降低。
构建转录组文库，测序发现在5%PEG胁迫下有26977个上调的差异基因和16097个下调的差异基因，在25%PEG胁迫后发现其中有9602个基因上调，有8474个基因下调。GO功能分类注释和富集分析显示，大量上调和下调的DEGs主要包含代谢过程、催化活性、单一有机体过程和单个有机体代谢过程几个类别。生物学过程类别中有些DEGs是与氧化还原过程、肽生物合成过程、肽代谢过程与干旱胁迫的响应有关；在细胞成分类别中，大多数DEG分布于核糖体、核糖核蛋白复合物、细胞壁和细胞质；分子功能类别中的基因主要分为氧化还原酶活性、抗氧化活性、结构分子活性和催化活性。差异表达基因的KEGG代谢通路分析显示，共有9573个上调的DEGs注释为119个途径，有4249个下调的DEGs注释为120个途径。“核糖体”是差异表达基因数量最多的，占21.34％；其次，大多数上调的DEGs主要富集氨基酸代谢途径。“卟啉和叶绿素代谢”、“苯丙氨酸代谢”和“苯丙烷类生物合成”代谢途径中DEGs显著下降。通过RT-qPCR在CK，L和H的叶中发现了大量干旱胁迫相关调节基因的转录因子，包括MYB家族、bHLH家族、C2H2家族、NAC家族、WRKY家族、AP2-EREBP家族等。结果表明，太行菊OpMYB44、OpbHLH1、OpWRKY33、OpDREB1等基因的表达对提高植物对干旱的耐受性可能起重要的作用。
对三个干旱水平的太行菊构建SmallRNA文库，高通量测序分别得到6612202、8615514、8589555个cleanreads。miRNA差异表达分析显示，与S-CK组相比，S-L组有31个miRNAs上调，28个miRNAs下调；S-H组有34miRNAs上调，36个miRNAs下调。经过鉴定与分析得到3个保守miRNAs：Ota-miR156a、Ota-miR156c、Ota-miR3630-3p，同时鉴定出128个新miRNAs。通过对miRNA候选靶基因进行功能注释和富集分析，发现磷酸化、细胞蛋白质修饰过程、蛋白质等大分子代谢过程是太行菊干旱胁迫时miRNA通过基因表达参与的主要生物过程，蛋白酪氨酸激酶在介导太行菊PEG胁迫信号传导和调控中可能发挥重要作用。KEGG途径分析发现干旱条件下太行菊能够通过积累可溶性糖提高渗透调节能力，通过合成过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽(GSH)等一系列与清除活性氧有关的酶，协同抵御干旱胁迫给细胞造成的伤害。将已知miRNA数据与转录组数据进行关联分析，发现共靶标312个基因，这些基因主要编码参与生长发育、生理代谢、转录调节、胁迫响应等相关蛋白，大部分是转运蛋白、受体、转录因子、酶类等。初步确定4个候选基因可用于后续太行菊的干旱胁迫分子机制研究。
本研究从生理指标上系统分析了太行菊对干旱胁迫的响应，并首次从转录组和miRNA水平上深入分析了太行菊响应干旱胁迫的分子机理，创新性地挖掘了一批干旱胁迫相关的响应基因，并分析了响应干旱胁迫的基因表达的网络调控途径，为后续研究太行菊耐旱机理提供了重要基础，也为进一步挖掘植物耐旱相关新基因提供了理论依据。
太行菊[Opisthopappustaihangensis(Ling)Shih]是太行菊属(Opisthopappus Shih)植物，为我国太行山区特有珍稀物种，仅见于豫、晋、冀三省交界的太行山区，具有重要的资源开发利用价值。太行菊分布范围狭窄，生境独特，具有耐旱，耐低温等优良特性，属国家珍稀濒危保护物种。因此，它是一种非常有价值的野生种质资源。但是截至目前对太行菊抗旱相关基因鲜有人研究，对其抗旱的分子机制知之甚少。本研究在对太行菊进行抗旱生理特征系统性分析的基础上，首次构建了太行菊干旱胁迫下的转录组和microRNA文库，并进行高通量测序和分析，挖掘了一批干旱胁迫相关的响应基因，从而为深入研究太行菊抗旱机理奠定基础。
用不同浓度的PEG6000对太行菊进行干旱处理，其中0％为对照组(CK)，5％为轻度干旱(L)，25％为重度干旱(H)。对不同干旱处理的太行菊叶片进行RWC、叶绿素含量和光合速率等生理指标的测定。结果表明，在干旱条件下太行菊的叶绿素含量和光合速率有一定的下降，但是叶片的持水性几乎没有变化。随着干旱的加重，太行菊叶片水分开始流失，叶绿素含量和光合效率也明显降低。对脯氨酸含量测定发现，太行菊能够通过诱导干旱胁迫下脯氨酸含量的增加而降低细胞渗透势，维持细胞水分含量，从而提高植物抗逆性。太行菊叶片中可溶性糖的含量随着干旱程度的加重而上升，表明太行菊通过可溶性糖的积累进行渗透调节，从而降低干旱胁迫对太行菊植株的伤害。太行菊受到干旱胁迫时，MDA含量增加，同时POD保护酶系统迅速激发，POD活性显著升高，以消除干旱胁迫时积累的大量活性氧，使植株受到的伤害减少。随着干旱胁迫程度增加，保护酶系统受到破坏，酶活力又逐渐降低。
构建转录组文库，测序发现在5%PEG胁迫下有26977个上调的差异基因和16097个下调的差异基因，在25%PEG胁迫后发现其中有9602个基因上调，有8474个基因下调。GO功能分类注释和富集分析显示，大量上调和下调的DEGs主要包含代谢过程、催化活性、单一有机体过程和单个有机体代谢过程几个类别。生物学过程类别中有些DEGs是与氧化还原过程、肽生物合成过程、肽代谢过程与干旱胁迫的响应有关；在细胞成分类别中，大多数DEG分布于核糖体、核糖核蛋白复合物、细胞壁和细胞质；分子功能类别中的基因主要分为氧化还原酶活性、抗氧化活性、结构分子活性和催化活性。差异表达基因的KEGG代谢通路分析显示，共有9573个上调的DEGs注释为119个途径，有4249个下调的DEGs注释为120个途径。“核糖体”是差异表达基因数量最多的，占21.34％；其次，大多数上调的DEGs主要富集氨基酸代谢途径。“卟啉和叶绿素代谢”、“苯丙氨酸代谢”和“苯丙烷类生物合成”代谢途径中DEGs显著下降。通过RT-qPCR在CK，L和H的叶中发现了大量干旱胁迫相关调节基因的转录因子，包括MYB家族、bHLH家族、C2H2家族、NAC家族、WRKY家族、AP2-EREBP家族等。结果表明，太行菊OpMYB44、OpbHLH1、OpWRKY33、OpDREB1等基因的表达对提高植物对干旱的耐受性可能起重要的作用。
对三个干旱水平的太行菊构建SmallRNA文库，高通量测序分别得到6612202、8615514、8589555个cleanreads。miRNA差异表达分析显示，与S-CK组相比，S-L组有31个miRNAs上调，28个miRNAs下调；S-H组有34miRNAs上调，36个miRNAs下调。经过鉴定与分析得到3个保守miRNAs：Ota-miR156a、Ota-miR156c、Ota-miR3630-3p，同时鉴定出128个新miRNAs。通过对miRNA候选靶基因进行功能注释和富集分析，发现磷酸化、细胞蛋白质修饰过程、蛋白质等大分子代谢过程是太行菊干旱胁迫时miRNA通过基因表达参与的主要生物过程，蛋白酪氨酸激酶在介导太行菊PEG胁迫信号传导和调控中可能发挥重要作用。KEGG途径分析发现干旱条件下太行菊能够通过积累可溶性糖提高渗透调节能力，通过合成过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽(GSH)等一系列与清除活性氧有关的酶，协同抵御干旱胁迫给细胞造成的伤害。将已知miRNA数据与转录组数据进行关联分析，发现共靶标312个基因，这些基因主要编码参与生长发育、生理代谢、转录调节、胁迫响应等相关蛋白，大部分是转运蛋白、受体、转录因子、酶类等。初步确定4个候选基因可用于后续太行菊的干旱胁迫分子机制研究。
本研究从生理指标上系统分析了太行菊对干旱胁迫的响应，并首次从转录组和miRNA水平上深入分析了太行菊响应干旱胁迫的分子机理，创新性地挖掘了一批干旱胁迫相关的响应基因，并分析了响应干旱胁迫的基因表达的网络调控途径，为后续研究太行菊耐旱机理提供了重要基础，也为进一步挖掘植物耐旱相关新基因提供了理论依据。