杨树生物钟调控盐胁迫响应的生理与代谢机制研究

为解决树木耐盐机制不清的问题，研究人员通过调控杨树生物钟核心基因（PttLHY1,2、PttPRR7a,b、PttGI1,2），结合生理与代谢组学分析，发现生物钟通过协调细胞周期基因PttCycD3表达和代谢重编程（如碳水化合物、氨基酸和脂肪酸通路）介导根系对盐胁迫渗透与离子组分的适应性生长，为培育抗逆林木提供了新靶点。

　　

随着全球土壤盐渍化加剧，农作物和林木的生存面临严峻挑战。盐胁迫通过渗透效应和离子毒性双重机制影响植物生长，但树木如何通过内在生物钟系统协调应激响应仍不明确。杨树（Populus tremula × P. tremuloides）作为林木模式物种，其生物钟结构与拟南芥相似，但根系时钟的独立性和应激调控机制尚待深入探索。本研究通过基因沉默技术靶向杨树生物钟核心组件（早晨组分PttLHY1,2、傍晚组分PttPRR7a,b和PttGI1,2），系统解析了其在盐胁迫渗透与离子响应中的作用，为树木抗逆机制提供了新见解。

研究主要采用以下技术方法：1）通过RNAi构建生物钟基因沉默株系（lhy-10、prr7-5、gi-13），并利用延迟荧光检测验证节律表型；2）模拟盐胁迫渗透（甘露醇）与离子（NaCl）组分的分阶段处理体系；3）整合生理指标（株高、光合效率、相对含水量）与根系代谢组学（GC-TOF-MS检测76种代谢物）；4）利用生物发光报告系统（pPttCycD3::LUC+和pAtCCR2::LUC+）监测根系节律；5）通过PCA、PerMANOVA等多变量统计分析关联代谢与生理响应。

生物钟突变株系对盐胁迫渗透与离子组分的响应差异

通过渐进式胁迫处理发现，NaCl对植株生长和光合效率（F_v/F_m）的抑制强于甘露醇。lhy-10在对照条件下光合效率最低，而gi-13和prr7-5在胁迫下表现出特异性代谢适应。相对含水量（RWC）在甘露醇处理267小时后显著下降，prr7-5的保水能力最弱，表明PttPRR7a,b在渗透调节中起关键作用。

盐胁迫显著影响杨树根系生物钟相关基因表达

qPCR分析显示，NaCl胁迫上调PttLHY1,2表达（尤其在gi-13中），而甘露醇处理抑制PttPRR7a,b和PttTOC1表达。PttGI1,2在gi-13中受盐诱导但在prr7-5中被抑制，表明傍晚组分在离子与渗透响应中功能分化。PttCycD3表达在NaCl处理中普遍上调（除lhy-10外），提示其受PttLHY1,2调控并参与细胞周期适应。

离子胁迫下根系生长依赖PttLHY1,2与PttCycD3的协调

pPttCycD3::LUC+报告系统显示，WT根系在对照条件下保持节律，而甘露醇处理破坏节律性；lhy-10则呈现相位提前和节律紊乱。相反，pAtCCR2::LUC+报告基因在胁迫下维持稳定振荡，表明生物钟对特定输出通路（如细胞周期）的调控具有选择性。

代谢组揭示生物钟依赖的胁迫适应策略

PCA分析显示代谢响应随时间（PC1贡献44%）和胁迫类型（PC2贡献20%）分化。NaCl处理诱导基因型间代谢聚类，而甘露醇响应更分散。热图聚类识别出6类代谢物：

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  簇I（氨基酸）：NaCl胁迫下lhy-10和prr7-5积累大量氨基酸（如缬氨酸、苏氨酸），可能与氮存储或蛋白降解相关。
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  簇II（脂肪酸与甾醇）：棕榈酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）和β-谷甾醇在WT中显著积累，与光合效率和含水量正相关，提示脂类在离子稳态中的作用。
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  簇V（TCA循环中间体）：甘露醇处理下prr7-5富集琥珀酸、α-酮戊二酸，表明PttPRR7a,b调控碳骨架供应。
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  簇VI（渗透保护物）：棉子糖和脯氨酸在gi-13中上调，而在lhy-10中下降，反映基因型特异性渗透保护策略。

代谢与生理响应的关联分析

多变量整合分析表明，处理方式和时间点共同驱动代谢-生理响应（PerMANOVA, P<0.005），而基因型单独效应不显著。光合参数（F_v/F_m）和水势与糖类（棉子糖）、TCA中间体（苹果酸）及脂肪酸含量呈正相关，证实代谢重编程直接支撑生理适应性。

结论与意义

本研究将生物钟置于树木胁迫适应的核心地位：

1. 1.
   早晨组分PttLHY1,2通过调控PttCycD3维持离子胁迫下的细胞分裂；
2. 2.
   傍晚组分PttPRR7a,b和PttGI1,2分别主导渗透响应中的碳代谢重编程和离子稳态；
3. 3.
   代谢适应性体现为时间依赖性调控——早期（T1）以基因表达调整为主，晚期（T2）则激活氨基酸、脂肪酸和渗透保护物合成；
4. 4.
   生物钟通过协调TCA循环、GABA分流和抗氧化途径（如抗坏血酸代谢）维持根系能量与氧化平衡。

该研究不仅揭示了树木生物钟在胁迫中的分时调控功能，还为分子育种提供了靶点（如PttPRR7和PttGI），助力开发抗逆林木品种以应对气候变化挑战。论文发表于《npj Biological Timing and Sleep》，凸显了生物节律在植物环境适应中的广泛意义。