亚精胺通过AmCS调控代谢与抗氧化网络提升沙葱种子活力的机制研究

本研究揭示了亚精胺（Spd）通过激活柠檬酸合酶（AmCS）介导的三羧酸循环（TCA cycle）和磷酸戊糖途径（PPP）协同调控能量代谢与抗氧化防御网络，显著延缓沙葱（Allium mongolicum）种子衰老的分子机制，为作物抗逆育种和种子贮藏技术提供了关键靶点。

　　

引言

种子衰老涉及氧化损伤和能量代谢紊乱，但沙葱（Allium mongolicum）抗衰老的遗传机制尚不明确。亚精胺（Spermidine, Spd）作为多胺类生理调节剂，在植物发育和胁迫响应中发挥关键作用，但其在非模式作物中的调控机制仍需深入探索。本研究通过转录组测序、靶向能量代谢物分析和抗氧化系统评估，系统解析了Spd处理对自然老化沙葱种子的抗衰老效应。

材料与方法

沙葱种子采集自内蒙古鄂托克前旗（38°18’N, 107°29’E），设置0年、2年及4年贮藏组，实验组用0.8 mM Spd溶液浸泡12小时，对照组使用双蒸水。通过转录组测序（DNBSEQ平台）、靶向代谢组学（LC-MS/MS）和酶活性检测（如柠檬酸合酶CS、超氧化物歧化酶SOD等）分析基因表达和代谢变化。利用酵母双杂交系统验证蛋白互作，并通过异源过表达AmCS基因的拟南芥株系进行功能验证。

结果

3.1 Spd处理显著提升老化种子发芽率

4年贮藏种子的发芽率从39.00%提升至29.05%（P< 0.05），且低活力种子响应更显著。

3.2 转录组数据质量与差异基因分析

测序获得121.46 Gb高质量数据，组装208,598个unigenes。差异表达基因（DEGs）在Spd处理后显著富集于能量代谢（糖酵解、TCA循环、氧化磷酸化）和抗氧化途径（苯丙烷类、黄酮合成）。

3.3 能量代谢通路的重编程

Spd上调糖酵解（HK、PFK、PK）、TCA循环（CS、IDH、MDH）和PPP途径（G6PD、PGD）关键酶基因表达，伴随ATP、乙酰辅酶A（acetyl-CoA）和NADPH水平升高（P< 0.05）。代谢组学显示磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）积累，导向黄酮合成增强抗氧化能力。

3.4 AmCS的克隆与功能验证

AmCS基因编码487个氨基酸（127.1 kDa），无信号肽和跨膜结构域，与榛子（Corylus avellana）等物种同源性最高。酵母双杂交证实AmCS与丙酮酸脱氢酶激酶（AmPDK）直接互作。过表达AmCS的拟南芥株系发芽率提高15.55%，ATP含量增加46.37%，H₂O₂和MDA分别降低35.20%和40.40%。线粒体功能增强表现为呼吸速率提升50.26%和NADPH/NADP⁺比率升高1.41倍。

讨论

Spd通过诱导AmCS表达，形成AmCS-AmPDK复合物，协同调控TCA循环通量和PPP依赖的抗氧化能力。其中，TCA循环促进乙酰辅酶A转化和ATP合成，PPP途径提供NADPH以维持氧化还原稳态。这一“能量-氧化还原”耦合网络为作物抗衰老育种提供了新策略，尤其适用于干旱区特色作物如沙葱。

结论

AmCS是沙葱种子抗衰老的关键遗传调控因子，其通过双途径机制（增强能量供应和激活抗氧化防御）延缓衰老进程。未来需聚焦AmCS-AmPDK互作位点解析、稳定同位素代谢通量分析及基因编辑育种应用。