基于转录组与代谢组联合分析揭示大花金钱豹幼苗干旱胁迫响应的生理分子机制

《BMC Plant Biology》：Physiological and molecular mechanism analysis of Cyclocodon lancifolius seedlings in response to varying degrees of drought stress

本研究针对药用食用植物大花金钱豹(Cyclocodon lancifolius)幼苗期易受干旱胁迫影响的问题，通过整合生理生化、转录组和代谢组学分析，系统阐明了其干旱响应机制。研究发现干旱胁迫通过调控淀粉蔗糖代谢、谷胱甘肽代谢、苯丙烷类生物合成和类黄酮生物合成等关键通路，特别是HCT基因促进咖啡酰奎宁酸积累、PAL和CHS基因下调导致木犀草素减少的分子调控网络，为药用植物抗旱育种提供了重要理论依据。

　　

在气候变化加剧的背景下，干旱已成为限制植物生长发育的关键环境因子。作为兼具药用与食用价值的珍稀植物，大花金钱豹(Cyclocodon lancifolius)在幼苗快速生长期恰逢干旱频发季节，田间栽培中仅一周缺水即可导致幼苗死亡。然而，人们对这一重要药用植物响应干旱胁迫的生理与分子机制知之甚少。

为解决这一科学问题，贵州中医药大学的研究团队在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。研究人员通过设置对照组(C)、中度干旱(MD)和重度干旱(SD)三种处理，首次系统揭示了大花金钱豹幼苗的干旱适应机制。研究发现，随着干旱程度加剧，植株表现出生长抑制、光合参数(Tr、P_N、Ci、G_s、LCP和CE)显著下降，同时相对含水量(RWC)、叶生物量和叶绿素含量降低，而电解质渗透性、丙二醛(MDA)和脯氨酸含量升高。抗氧化酶系统(SOD、POD、CAT)被激活以清除过量活性氧(ROS)。

研究采用转录组与代谢组联合分析技术，结合光合特性测定、生理生化指标检测等方法。通过对7月龄幼苗进行土壤水分控制(75%、45%、25%土壤含水量)，利用LI-6800光合仪测定光响应曲线，采用试剂盒检测MDA、脯氨酸等指标，通过Illumina Novaseq 6000平台进行RNA测序，运用LC-MS技术进行代谢物检测，并利用RT-qPCR验证关键基因表达。

光合响应特征

干旱胁迫导致光饱和点(LSP)从1497.07μmol·m^-2·s^-1(C)降至388.739μmol·m^-2·s^-1(SD)，最大净光合速率从9.5403μmol·m^-2·s^-1降至2.33477μmol·m^-2·s^-1。瞬时水分利用效率(WUE_i)和气孔限制值(L_s)显著增加，表明植株通过调节气孔导度适应水分亏缺。

生理生化调控机制

重度干旱使相对含水量下降21.3%，叶生物量减少38.7%，叶绿素a、b含量分别降低42.5%和39.8%。DAB染色显示H₂O₂积累随干旱加剧而增加，SOD、POD、CAT活性分别最高提升2.3倍、3.1倍和2.8倍，表明抗氧化防御系统被激活。

多组学联合分析

转录组测序获得63,337个基因，筛选出19,847个差异表达基因(DEGs)。代谢组鉴定到549个差异代谢物(DEMs)，其中重度干旱组显著富集于苯丙烷生物合成(map00940)和类黄酮生物合成(map00941)通路。

关键通路调控网络

在苯丙烷类代谢中，HCT4、HCT6、HCT10和HCT12基因表达与咖啡酰奎宁酸含量呈显著正相关(r>0.8)，促进其积累以增强抗旱性。而类黄酮合成通路中CYP75A、CYP75B1表达下调导致木犀草素含量降低，CHS、CHI和DFR基因的抑制进一步限制了类黄酮合成。

转录因子调控

ERF、GRAS、WRKY、bZIP和HSF等转录因子家族成员在干旱胁迫下显著上调，其中ERF和WRKY在重度干旱中持续高表达，可能作为分子开关调控下游应激基因。

本研究首次构建了大花金钱豹幼苗响应干旱胁迫的分子调控网络，发现植株通过协调淀粉蔗糖代谢提供能量、激活谷胱甘肽代谢缓解氧化损伤、调控苯丙烷类代谢产物积累等策略适应干旱。特别值得注意的是，特定干旱条件促进咖啡酰奎宁酸积累而降低木犀草素含量的代谢重编程现象，为理解药用成分积累与环境适应的平衡提供了新视角。这些发现不仅阐明了药用植物干旱适应的生理分子基础，也为抗旱品种选育提供了关键靶基因和代谢标记物。