不同土壤改良技术下谷子盐胁迫响应的转录组与代谢组整合分析及其抗逆机制研究

本综述通过整合转录组与代谢组分析，系统揭示了不同土壤改良技术（有机肥、土壤改良剂、生物炭及其组合）调控谷子应对盐胁迫的生理与分子机制。研究发现联合施用有机肥与土壤改良剂（TAB）显著提升抗氧化酶（SOD、POD）活性及渗透调节物质（可溶性蛋白、脯氨酸）积累；生物炭（TC）单独施用则特异性促进黄酮类化合物山奈酚积累。研究进一步阐明黄酮合成通路关键基因（如CHS、FLS）与代谢物积累的协同调控，并证实大量转录因子（AP2/ERF、bHLH、WRKY）参与盐应激响应。该研究为作物抗盐栽培提供了理论依据与策略优化方向。

　　

引言

土壤盐渍化是全球农业生产的重大威胁，严重影响作物生长与生态系统平衡。尽管多种栽培技术可缓解盐胁迫危害，但作物适应盐胁迫的具体代谢机制尚不明确。本研究以谷子（Setaria italica）为材料，结合不同土壤改良技术（有机肥、土壤改良剂、生物炭及其组合），通过整合转录组与代谢组分析，深入探索谷子在盐胁迫下的生理与分子响应机制。

材料与方法

实验选用‘张杂谷21’品种，在河北省张家口市农业科学院实验基地进行盆栽栽培。设置8种处理：对照组（CK）、有机肥（TA）、土壤改良剂（TB）、生物炭（TC）、有机肥+土壤改良剂（TAB）、有机肥+生物炭（TAC）、土壤改良剂+生物炭（TBC）、三者联合（TABC）。在三叶期施加200 mmol/L NaCl溶液进行盐胁迫处理，2周后采集叶片进行生理指标测定、转录组测序（Illumina平台）及广泛靶向代谢组（UPLC-MS/MS）分析。

结果

3.1 不同土壤改良技术下谷子的生理响应

盐胁迫下，TAB处理显著提升超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性，并促进可溶性蛋白与脯氨酸积累。单独施用TA或TB亦能增强SOD活性及渗透调节物质含量，而TC处理则抑制POD活性与脯氨酸积累。TBC组合较单一TC处理显著提升抗氧化酶活性。TABC处理下各项生理指标均高于对照，但除SOD外均低于TAB处理，表明有机肥与土壤改良剂联用具有最优协同效应。

3.2 转录组分析揭示关键通路与转录因子

转录组数据质量良好（Q30＞92.98%）。差异表达基因（DEGs）分析显示，TB处理诱导最多DEGs（2894个），TABC处理扰动最小（753个）。GO分析表明DEGs主要富集于质膜、应激响应及氧化还原酶活性。KEGG分析显示DEGs显著富集于次级代谢产物合成、黄酮生物合成、MAPK信号通路等。转录因子分析表明AP2/ERF、bHLH和WRKY家族在各处理中广泛参与调控。

3.3 代谢组特征与黄酮类代谢的核心作用

共鉴定1529种代谢物，其中黄酮类占比最高（25.57%）。主成分分析（PCA）显示组间差异显著。差异积累代谢物（DAMs）分析表明，TC处理特异性促进黄酮积累，而TB处理显著影响脂类代谢。KEGG富集揭示氨基酸代谢、黄酮合成、α-亚麻酸代谢等通路为核心响应途径。山奈酚在TC、TAB、TAC及TBC处理中显著积累，且其合成关键基因（C4H、HCT、FLS）表达与代谢物积累趋势一致。

3.4 多组学整合揭示黄酮通路的协同调控

相关性分析（Pearson＞0.8）表明DEGs与DAMs高度关联。黄酮合成通路中6种代谢物（pinocembrin、pinobanksin 3-acetate、naringin、isosakuranetin、p-coumaroyl shikimic acid、kaempferol）表达显著变化。生物炭施用（TC）促进山奈酚积累，土壤改良剂（TB）推动苯丙烷前体合成。基因-代谢物网络证实CHS、CHI、ANR等基因与代谢物积累协同调控。

讨论

盐胁迫导致植物渗透失衡与活性氧（ROS）积累。本研究发现有机肥与土壤改良剂联用（TAB）通过增强抗氧化防御与渗透调节提升抗性；生物炭（TC）虽抑制部分酶活性，但通过促进黄酮积累补偿抗氧化功能。黄酮类物质（如山奈酚）作为非酶抗氧化剂，在ROS清除中起关键作用。转录因子（AP2/ERF、bHLH、WRKY）广泛参与应激调控，与代谢表型显著相关。该研究系统揭示了土壤改良技术通过调控代谢重编程与转录网络增强作物耐盐性的机制。

结论

本研究构建了谷子盐胁迫响应的生理-分子调控网络，明确联合土壤改良技术可通过激活抗氧化系统与黄酮代谢增强抗盐性。优化栽培策略（如TAB处理）为盐渍土作物生产提供了有效解决方案。