青稞耐冷萌发的多组学机制：揭示赤霉素-内生菌-核心基因协同调控网络

本研究针对低温抑制青稞种子萌发的生产难题，通过整合16S rRNA测序和转录组分析，揭示了耐冷品种37通过富集Sphingomonas和Pelomonas等有益内生菌、维持较高GA水平及上调LEA、Homeobox等10个核心基因表达，形成协同耐冷机制。外源GA处理可使冷敏感品种44萌发率提升176.67%，为作物耐冷育种提供新策略。

　　

在全球气候变化导致春季霜冻频发的背景下，低温胁迫已成为制约高寒地区主粮作物青稞生产的关键因素。种子萌发作为作物生命周期的起点，对低温尤为敏感，常导致出苗延迟、成苗率下降，最终影响产量。青稞（Hordeum vulgare var. coeleste L.）作为青藏高原特色作物，具有卓越的自然耐冷性，是研究禾本科作物低温应答机制的理想材料。然而，目前对青稞耐冷萌发的理解多集中于激素或转录调控的单一层面，缺乏对微生物群落与宿主基因互作机制的系统解析。

为破解这一难题，任攀荣团队在《BMC Genomics》发表了题为“Integrated 16S rRNA and transcriptome analysis reveal molecular and microbial mechanisms of cold-tolerant germination in hulless barley”的研究论文。该研究通过创新性地整合生理指标测定、植物激素检测、转录组测序和16S rRNA扩增子测序等多维度技术，揭示了青稞耐冷萌发的协同调控网络。

研究主要采用以下关键技术方法：首先从151个青稞品种中筛选出耐冷型37和冷敏感型44进行表型鉴定；通过液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS）精确测定GA、IAA、JA、SA、t-zeatin和ABA等植物激素含量；利用Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序（PE150模式）和16S rRNA基因测序（V3-V4区）；运用加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘与GA含量显著相关的基因模块；通过PICRUSt2预测微生物功能途径。

低温显著抑制青稞种子萌发

研究发现4℃低温处理使冷敏感品种44的萌发率从99%急剧降至30%（降幅69%），而耐冷品种37仅从100%降至98%（降幅2%）。外源GA（100 mg/L）处理可使品种44的萌发率提升176.67%，证实GA在耐冷萌发中的核心作用。

GA含量与内生菌群落互作

激素检测显示低温胁迫下品种37的GA含量显著增加492.33%（0.0965→0.5716 ng/g），而品种44下降26.62%。16S rRNA测序发现耐冷品种37在低温下显著富集Sphingomonas（相对丰度增加118.74%）和Pelomonas（增加64.73%），二者与GA含量的相关系数分别达0.70和0.87。功能预测表明这些菌株可能通过“Chorismate生物合成”“D-半乳糖降解”等途径参与GA信号转导。

WGCNA挖掘耐冷核心基因

转录组分析鉴定出品种37和44分别有2,647和2,392个差异表达基因（DEGs）。WGCNA显示绿色模块与GA含量显著正相关（r=0.82, P=0.0011），从中筛选出10个核心基因，包括晚期胚胎发生丰富蛋白（LEA）、Homeobox转录因子、硝酸盐转运蛋白（NRT）、糖基转移酶（GT）等。qRT-PCR验证这些基因在品种37中的上调幅度显著高于品种44。

讨论与结论

本研究首次构建了青稞耐冷萌发的“微生物-激素-基因”三重调控模型（图6）：低温信号触发种子内生菌Sphingomonas和Pelomonas的增殖，促进GA合成；GA通过激活Ca²⁺信号通路（CDPKs-CBF/DREB-LEA）和抗氧化途径（5AT-GT介导的黄酮类合成）协同调控萌发进程。该模型不仅阐明了耐冷品种37维持高萌发率的分子基础，还通过外源GA成功逆转冷敏感表型，为作物抗逆育种提供了新的靶点策略。

研究创新性地将微生物组学与多组学分析相结合，揭示了植物-微生物互作在抗逆应答中的新功能，为利用微生物肥料增强作物耐冷性提供了理论依据。未来通过基因编辑技术（如CRISPR/Cas9）验证核心基因功能，将加速青稞耐冷种质创新，对保障高寒地区粮食安全具有重要意义。