解析百山祖冷杉应对热胁迫的抗性机制：生理与转录组联合剖析助力珍稀植物保护

为探究百山祖冷杉（Abies beshanzuensis）对热胁迫的响应机制，研究人员开展了生理和转录组分析。结果发现热胁迫下其光合速率和叶绿素含量降低，抗氧化酶活性增强等。该研究为百山祖冷杉保护提供依据。

　　在全球气候变暖的大背景下，极端高温天气愈发频繁，这对植物的生长发育产生了极为不利的影响。对于植物而言，光合作用是其生存和繁衍的关键生理过程，却极易受到高温的干扰。高温不仅会破坏叶绿素的结构，影响光能的吸收，还可能损害叶绿体的超微结构，使光合作用相关的酶失活，进而降低光合效率，引发光抑制现象。而且，高温还会促使植物体内产生大量的活性氧（ROS），这些活性氧会攻击细胞内的生物分子，导致膜脂过氧化，破坏细胞的正常生理功能。

百山祖冷杉作为第四纪冰川时期的古老孑遗植物，被誉为 “活化石” 和 “植物大熊猫”，然而如今却处于极度濒危的状态，全球仅存 3 株野生成年植株。随着全球气候持续变暖，未来极端高温事件将更加频繁，百山祖冷杉适宜的生存环境不断缩小，这无疑加剧了它的濒危程度。因此，深入了解百山祖冷杉对热胁迫的生理和分子响应机制，以及其耐受高温的阈值，对于揭示其濒危原因、制定科学有效的就地和迁地保护策略至关重要。

浙江理工大学生命科学学院、钱江源 - 百山祖国家公园庆元保护中心、浙江大学等研究机构的研究人员针对这一问题展开了研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为百山祖冷杉的保护提供了重要的理论依据。

研究人员采用了多种关键技术方法：首先，对百山祖冷杉的嫁接幼苗进行不同温度处理，模拟自然环境中的温度变化。其次，运用 Mini - PAM 和 WinControl 3 软件测定叶绿素荧光参数，以此来评估植物的光合性能。再者，通过一系列化学方法分别测定叶绿素含量、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量以及相关酶活性。最后，利用 RNA 测序（RNA - seq）和实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT - PCR）技术分析基因表达情况 。

研究结果

1. 热胁迫对百山祖冷杉形态的影响：将百山祖冷杉幼苗置于不同温度环境（对照、轻度高温、中度高温、高温）处理 20 天，发现热胁迫会抑制其生长。在中度高温处理组，前期叶片形态变化不明显，但 9 - 12 天后，部分叶基出现黄褐色斑点并逐渐变黄；高温处理组 3 天后多数叶片就出现黄褐色斑点，12 天时几乎全部叶片变黄。
2. 高温胁迫减弱百山祖冷杉的光合能力：热胁迫下，百山祖冷杉的光合效率（Yield）和电子传递速率（ETR）迅速下降，且与胁迫时间呈正相关，12 天后降至最低，表明光合效率和相对电子传递受到显著抑制。光化学猝灭（qP）值在高温处理 3 天后快速下降，说明高温破坏了光系统 II（PSII）反应中心，导致光合反应中心活性降低。非光化学猝灭（NPQ）在高温胁迫 6 天后显著下降，意味着光保护机制受损。
3. 热胁迫下百山祖冷杉叶绿素含量的变化：高温胁迫显著降低了百山祖冷杉叶绿素 a 和叶绿素 b 的含量。对照组和轻度高温组的叶绿素含量较高，而中度高温和高温组的叶绿素含量随胁迫时间延长逐渐降低，12 天时达到最低，与对照组相比，叶绿素 a 含量降低 64.58%，叶绿素 b 含量降低 61.20%。
4. 热胁迫下百山祖冷杉抗氧化能力的变化：在中度高温处理组，丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性逐渐增加，12 天时达到峰值；过氧化物酶（POD）活性先升后降，6 天时达到峰值；过氧化氢酶（CAT）活性先降后升，12 天达到峰值。在高温处理组，CAT 活性 6 天达到峰值。总体而言，中度高温和高温胁迫下，百山祖冷杉的 MDA、SOD、POD 和 CAT 活性均高于对照组，表明其通过增强抗氧化酶活性来减轻活性氧和阴离子的积累。同时，可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸含量在中度高温和高温胁迫下显著增加。
5. 通过 KEGG 富集分析和 GO 分析鉴定响应高温胁迫的关键代谢途径：研究人员鉴定出不同处理组的差异表达基因（DEGs）。GO 富集分析显示，热胁迫下百山祖冷杉激活了与热响应、类黄酮生物合成过程和 DNA 结合转录因子活性相关的生物途径。KEGG 代谢途径分析表明，不同高温处理组的差异表达基因在类黄酮生物合成、苯丙烷生物合成等途径显著富集，且高温胁迫相关途径在缓解氧化损伤中起关键作用。对 6 个差异表达基因进行 qRT - PCR 分析，其表达模式与转录组测序结果一致，验证了 RNA - seq 数据的可靠性。
6. 热胁迫下百山祖冷杉差异表达基因的变化：热胁迫降低了百山祖冷杉的光合速率，与之相关的基因，如 6 个 Pet、10 个 Psa、10 个 Psb、1 个 Ycf 和 1 个 PPL 基因显著下调。热胁迫后，4 个热休克蛋白表达水平显著下降，部分参与氧化还原过程的基因下调，但 ATP 合酶相关基因上调，超氧化物歧化酶（SOD）基因上调。中度高温处理后，许多与植物激素信号传导相关的差异表达基因发生显著变化，同时多个转录因子表达上调。

研究结论与讨论

研究表明，百山祖冷杉对高温胁迫较为敏感。高温破坏了其 PSII 反应中心的活性，阻碍了电子传递，降低了叶绿素含量，进而显著降低光合速率。同时，高温导致植物体内 MDA 含量增加，表明细胞膜受到损伤。虽然百山祖冷杉能够激活抗氧化酶系统来应对热胁迫，但这种能力有限，其抗氧化基因的转录水平下降，反映出它对高温胁迫的耐受性较差。

热胁迫还影响了百山祖冷杉体内的激素信号传导途径，许多与激素信号相关的差异表达基因和转录因子发生显著变化，这表明植物激素在调节百山祖冷杉对热胁迫的响应中发挥重要作用。此外，研究发现一些关键的类黄酮生物合成基因下调，推测百山祖冷杉在高温条件下可能缺乏启动或维持类黄酮生物合成的调控机制，导致其耐热性不足。

该研究通过生理和转录组联合分析，揭示了百山祖冷杉对热胁迫的响应机制，为深入理解其濒危原因提供了重要线索，也为制定针对性的保护策略奠定了基础，有助于在全球气候变化的背景下更好地保护这一珍稀物种。