采用级联生物精炼技术从高产森林作物（如小榆树）中提取半纤维素、木质素、纤维素和纳米纤维素，以用于多种工业应用

《Industrial Crops and Products》：Cascade biorefinery approach to obtain hemicelluloses, lignin, cellulose and nanocelluloses from high-yield forest crops ( Ulmus minor) for different industrial applications

冷胁迫下抗性烟草品种NC102与感性品种PVH06的生理代谢及转录组网络分析表明，种子期冷处理可显著增强植物抗寒能力，NC102的相对含水量（RWC）达1.06倍，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性分别提升25%和42%，且木质素合成相关基因（如PAL、4CL、HCT）及代谢物（肉桂酸、香豆醛）显著上调，同时生长素信号通路基因（GH3、SAUR）及激素水平（生长素0.033 μmol/g，茉莉酸2.997 pmol/g）在NC102中表达更积极。冷胁迫激活三羧酸循环（TCA）和氨基酸代谢，通过代谢物（如丙氨酸、柠檬酸）积累维持细胞稳态。加权基因共表达网络（WGCNA）鉴定出TAR3、ABP19A、psb28为关键枢纽基因，调控冷响应转录模块。qRT-PCR验证了木质素合成基因表达与代谢物积累的一致性。本研究为烟草冷胁迫抗性分子育种提供新靶点。

　　植物在生长过程中常常面临反复的低温胁迫，这种胁迫不仅影响其生理活动，还可能对其生存构成威胁。本研究通过多组学方法，探索了两种烟草品种在种子阶段经历低温预处理（SC）与未预处理（CK）后，其在五片真叶和一个中心芽阶段对低温胁迫的复杂响应机制。研究对象为冷胁迫抗性较强的NC102品种和敏感的PVH06品种。结果显示，经过种子阶段低温预处理的NC102表现出最强的抗寒能力，其相对含水量是CK组的1.06倍。此外，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性分别增加了25%和42%，脯氨酸含量则提高了50%。与此同时，过氧化氢和丙二醛的含量分别下降了23%和12%。这表明种子阶段的低温预处理显著提升了植物的抗寒能力。

在NC102种子预处理（NS）和PVH06种子预处理（PS）中，三羧酸循环（TCA）和氨基酸代谢均表现出积极的响应。NS组在这些代谢途径中积累了更高水平的不饱和脂肪酸和茉莉酸。研究还通过共表达网络分析识别出三个关键基因，即TAR3、ABP19A和psb28，这些基因在PS组中富集，并与生长素调控相关。PS组可能通过上调早期生长素响应基因GH3和SAUR来增强抗寒能力。此外，与木质素生物合成途径相关的基因和中间代谢物在NS和PS组中显著表达，其中NS组的响应更为明显。木质素生物合成途径的关键代谢物在低温胁迫下被调控以增加其含量，同时通过qRT-PCR检测了与该途径相关的结构基因的表达水平。本研究为理解植物抗寒能力提供了新的视角，也为育种研究提供了理论依据。

植物作为固着生物，无法逃避环境胁迫。为了适应外部环境信号，植物在生理、代谢和转录调控等方面发展出多种机制。低温胁迫不仅限制了植物的地理分布，还降低了其生产力，威胁其生存。研究表明，植物在非冻结温度下暴露后可以获得更好的霜冻耐受性，这使得它们能够适应环境变化。许多研究致力于探索植物在反复遭遇低温胁迫时的适应机制，包括转录调控、翻译后调控、代谢网络重构以及植物激素信号传导等。此外，纳米技术、微生物学、RNA-G四聚体结构和表观遗传调控等技术也在不断被应用于植物抗寒研究中。然而，关于植物反复遭遇胁迫损伤的研究仍相对有限，因此理解植物对重复低温胁迫的响应对于减少损失具有重要意义。

在植物的整个生命周期中，除了整体植物的驯化，种子阶段的预处理也是应对不利环境的重要手段。种子预处理主要涉及暴露于触发因素，使植物在未来遭遇胁迫时更具耐受性。例如，近期对玉米种子的筛选显示，经历低温胁迫的幼苗在恢复过程中表现更佳。低温处理山桃种子通过激素信号、DNA/蛋白质合成和碳代谢促进了休眠释放机制，这为种子处理提供了潜在的靶点。在水稻中发现了一种依赖脱落酸（ABA）的OsbZIP23-OsTPP3模块，该模块通过增加海藻糖积累抑制种子萌发，从而平衡生长与胁迫抵抗。然而，种子阶段的低温预处理主要由外源性喷洒刺激剂诱导，而由种子阶段自身低温胁迫引发的预处理研究相对较少。探索由种子阶段胁迫引发的抗逆性可能有助于填补种子低温预处理研究的空白，并为未来的研究提供新的方向。

在低温胁迫下，植物通过代谢和分子层面的快速调整来积累抗逆代谢物或调控与胁迫相关的基因表达和酶活性。代谢组学的应用使得我们能够识别基因转录的最终产物，并更清晰地反映物质合成、分解以及关键代谢通路调控的变化。例如，研究表明，低温处理可以重新激活植物的三羧酸循环，并上调结构基因表达和有机酸含量。此外，许多参与不饱和脂肪酸代谢途径的基因和代谢物在低温胁迫下也表现出上调趋势。低温胁迫下，生物合成或分解基因被调控，导致茉莉酸和吲哚乙酸含量增加，从而调节抗寒能力。与吲哚乙酸合成和信号传导相关的基因在低温处理下被上调，其表达水平与转录组数据一致，共同构成了葡萄藤叶片中激素信号传导通路的整合网络。

本研究选择了两种冷胁迫抗性不同的烟草品种，通过生理和转录组学结合代谢组学的方法，揭示了种子预处理对关键代谢通路和产物的影响，并整合了调控网络以解析植物对冷胁迫的响应机制。研究结果填补了种子预处理对胁迫响应的空白，为未来抗寒研究提供了新的视角。

为了进一步分析不同抗性品种在冷胁迫下的响应机制，研究对NC102和PVH06的差异基因集和代谢物集进行了富集分析。结果显示，苯丙烷类代谢途径在两种品种中均被显著富集。此外，NC102在某些代谢途径中表现出更高的富集程度，这可能与其抗寒能力有关。例如，NC102在冷胁迫下积累了更多的不饱和脂肪酸和氨基酸，如脯氨酸、瓜氨酸和L-丙氨酸。而PVH06则表现出相反的趋势，其代谢物和基因表达变化可能与抗寒能力较弱有关。这些结果表明，种子阶段的冷胁迫预处理能够有效调节植物的代谢和基因表达，从而增强其抗寒能力。

研究还发现，冷胁迫下，NC102和PVH06的某些代谢物和基因表达变化存在显著差异。例如，NC102的脯氨酸含量显著高于PVH06，而PS组的脯氨酸含量也显著高于PC组。这些变化可能与植物在冷胁迫下的生理适应机制有关。同时，研究发现，NC102和PVH06在冷胁迫下均表现出TCA循环的激活，这表明TCA循环在植物抗寒过程中发挥了重要作用。此外，TCA循环的中间代谢物如柠檬酸、苹果酸和异柠檬酸在NS和PS组中显著上调，可能作为保护性代谢物，促进TCA循环的活性。这些代谢物的积累有助于植物在低温环境下维持正常的生理功能。

研究还通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）揭示了与冷胁迫相关的基因调控网络。结果显示，某些关键基因如TAR3、ABP19A和psb28在PS组中表现出显著的表达差异。这些基因可能通过调控生长素信号传导通路，提高植物对冷胁迫的耐受性。此外，研究还发现，PS组中的某些生长素合成相关基因如TAA1、ALDH和YUCCA的表达水平显著高于PC组。这表明，种子阶段的冷胁迫预处理能够通过上调生长素相关基因的表达，增强植物的抗寒能力。

在植物激素信号传导通路中，生长素和茉莉酸的调控对植物的抗逆性具有重要意义。研究发现，NC102和PVH06在冷胁迫下均表现出茉莉酸及其衍生物的快速代谢和积累。NS组在冷胁迫下积累了更多的茉莉酸和创伤酸，而PS组则表现出相反的趋势，这可能与其抗寒能力的差异有关。同时，研究还发现，NC102在冷胁迫下积累了更多的生长素，这进一步支持了其在生长素信号传导通路中的优异响应。这些结果表明，植物通过调控生长素合成和早期响应基因的表达，以及茉莉酸的积累，积极应对冷胁迫，从而提高其抗逆性。

木质素生物合成途径在植物抗逆性中也发挥了重要作用。研究发现，NC102和PVH06在冷胁迫下均表现出木质素相关基因的显著上调，其中NS组的响应更为明显。木质素不仅为植物提供机械支撑，还参与了多种非生物胁迫的响应。在冷胁迫下，大多数木质素生物合成途径的中间代谢物和酶在叶片中被合成。例如，NC102的PAL和HCT基因表达显著上调，这有助于提高木质素的合成水平。研究还发现，NS组的木质素含量最高，其次是PS组，然后是NC组和PC组。这表明，种子阶段的冷胁迫预处理能够显著提高植物的木质素合成能力，从而增强其抗寒能力。

此外，研究还发现，NC102在冷胁迫下表现出较高的木质素生物合成相关基因表达水平，这与其抗寒特性相符。相比之下，PVH06的抗寒能力较弱，其木质素相关基因的表达水平较低。这可能意味着，NC102在木质素生物合成途径中具有更高的敏感性，从而更有效地应对冷胁迫。同时，研究还发现，NC102在冷胁迫下积累了更多的生长素和茉莉酸，这进一步支持了其在这些激素信号传导通路中的优异响应。

本研究通过整合生理、转录组学和代谢组学的方法，揭示了植物在种子阶段经历冷胁迫预处理后对冷胁迫的响应机制。结果显示，冷胁迫预处理显著提高了植物的抗逆能力，尤其是在NC102中表现更为明显。这些发现不仅有助于理解植物如何通过多种代谢途径和基因调控机制增强抗寒能力，还为未来的育种研究提供了新的方向。通过进一步研究这些关键基因和代谢物，我们可以更好地利用它们来提高植物的抗逆性，为农业生产提供科学依据。