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土壤砷污染是当前面临的突出环境问题之一，旱稻旱作条件下可有效降低土壤砷的生物有效性，进而降低籽粒中砷含量。研究旱稻在无机砷胁迫下的生理性状与基因表达模式变化，对控制稻作砷吸收具有重要的理论与实践意义。本研究采用营养液培养法，以籼型旱稻品种（DOURADOAGULHA）为供试材料，分析了三价砷（As(Ⅲ)）和五价砷（As(Ⅴ)）胁迫对旱稻生理变化的影响，并结合转录组测序技术鉴定了旱稻幼苗在无机砷处理后诱导差异表达的基因类型。主要研究结果如下：
（1）转录组测序结果显示，在As(Ⅲ)和As(Ⅴ)胁迫12h下，旱稻幼苗中分别有2983和1844个基因的表达水平发生变化，下调表达的基因数均明显高于上调表达的基因数；同时，As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理共同影响了旱稻幼苗中915个基因的表达。对差异表达的基因进行生物信息学分析显示，无机砷胁迫诱导旱稻幼苗中发生了复杂的基因调控网络途径的变化，主要包括转录调控、激素信号转导、氧化还原过程、脱毒过程及转运过程等。As(Ⅲ)处理使得大部分转录因子相关基因表达下调。As(Ⅴ)处理使得大部分激素信号过程相关基因表达上调。As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫使得与氧化还原及通道相关基因表达上调数高于下调数。
（2）对转录组中筛选得到的差异表达基因进行不同处理时间（0、12、24、48、72h）后的表达模式分析。结果发现在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫下，编码WRKY4、bHLH及AP2-EREBP转录因子的基因表达均被抑制，编码NAC转录因子的基因受到诱导。编码Prx和GST的基因和在As(Ⅲ)处理早期和中期（12和48h）诱导表达，而仅在As(Ⅴ)处理早期（12h）诱导表达；编码细胞色素P450的基因均只在As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理早期表达，而编码氧化还原酶的相关基因在两种价态无机砷处理后均被持续诱导表达。OsABCC9与ZIP3脱毒过程相关基因在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫下均受到响应。
（3）无机砷胁迫抑制了旱稻幼苗中抗氧化酶系统。在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)处理1d和3d后，旱稻幼苗中脂质过氧化产物丙二醛（MDA）的含量显著增加，为对照的2.7~3.9倍和3.4~4.3倍。与之相反，抗氧化酶类如过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽还原酶（GR）的含量在As(Ⅲ)与As(Ⅴ)处理1d和3d后显著降低，表明无机砷胁迫抑制了旱稻幼苗中抗氧化酶系统，从而抑制了幼苗的抗氧化反应。
综上，As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫使得旱稻幼苗中差异基因大都下调表达，而且As(Ⅲ)胁迫下得到的差异表达基因数多于As(Ⅴ)处理。在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫下，一系列涉及转录因子、激素信号、氧化还原过程及通道的新型基因受到响应。As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫通过抑制旱稻幼苗抗氧化系统和翻译过程相关基因的表达，降低了抗氧化酶的含量。
（1）转录组测序结果显示，在As(Ⅲ)和As(Ⅴ)胁迫12h下，旱稻幼苗中分别有2983和1844个基因的表达水平发生变化，下调表达的基因数均明显高于上调表达的基因数；同时，As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理共同影响了旱稻幼苗中915个基因的表达。对差异表达的基因进行生物信息学分析显示，无机砷胁迫诱导旱稻幼苗中发生了复杂的基因调控网络途径的变化，主要包括转录调控、激素信号转导、氧化还原过程、脱毒过程及转运过程等。As(Ⅲ)处理使得大部分转录因子相关基因表达下调。As(Ⅴ)处理使得大部分激素信号过程相关基因表达上调。As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫使得与氧化还原及通道相关基因表达上调数高于下调数。
（2）对转录组中筛选得到的差异表达基因进行不同处理时间（0、12、24、48、72h）后的表达模式分析。结果发现在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫下，编码WRKY4、bHLH及AP2-EREBP转录因子的基因表达均被抑制，编码NAC转录因子的基因受到诱导。编码Prx和GST的基因和在As(Ⅲ)处理早期和中期（12和48h）诱导表达，而仅在As(Ⅴ)处理早期（12h）诱导表达；编码细胞色素P450的基因均只在As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理早期表达，而编码氧化还原酶的相关基因在两种价态无机砷处理后均被持续诱导表达。OsABCC9与ZIP3脱毒过程相关基因在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫下均受到响应。
（3）无机砷胁迫抑制了旱稻幼苗中抗氧化酶系统。在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)处理1d和3d后，旱稻幼苗中脂质过氧化产物丙二醛（MDA）的含量显著增加，为对照的2.7~3.9倍和3.4~4.3倍。与之相反，抗氧化酶类如过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽还原酶（GR）的含量在As(Ⅲ)与As(Ⅴ)处理1d和3d后显著降低，表明无机砷胁迫抑制了旱稻幼苗中抗氧化酶系统，从而抑制了幼苗的抗氧化反应。
综上，As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫使得旱稻幼苗中差异基因大都下调表达，而且As(Ⅲ)胁迫下得到的差异表达基因数多于As(Ⅴ)处理。在As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫下，一系列涉及转录因子、激素信号、氧化还原过程及通道的新型基因受到响应。As(Ⅲ)、As(Ⅴ)胁迫通过抑制旱稻幼苗抗氧化系统和翻译过程相关基因的表达，降低了抗氧化酶的含量。