三叶型车轴草冷胁迫适应性研究：生理与转录组学视角揭示牧草抗寒新机制

《Frontiers in Plant Science》：Cold stress adaptation in Trifolium ambiguum: physiological and transcriptomic insights

本文系统解析了三叶型车轴草（Trifolium ambiguum）在冷胁迫下的动态响应机制，通过多时间点转录组测序（RNA-seq）结合生理指标（SOD/POD/CAT酶活、Pro、SS等）测定，揭示了其早期抗氧化防御（如谷胱甘肽代谢）与晚期类黄酮生物合成的阶段性适应策略，为牧草抗寒育种提供了关键靶点（如CBFs信号通路）和理论依据。

　　

1 Introduction

三叶型车轴草（Trifolium ambiguum）作为耐寒性多年生豆科牧草，其冷胁迫响应机制尚不明确。本研究通过分析0°C处理0、2、6、12小时幼苗的生理与转录组动态，旨在揭示其冷适应分子网络。

2 Materials and method

实验采用内蒙古农业大学提供的三叶型车轴草种子，在4°C模拟冷胁迫下分时段取样，测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性及脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SS）等生理指标，并利用Illumina NovaSeq平台进行转录组测序，通过DESeq2筛选差异表达基因（DEGs），结合KEGG通路富集分析解析关键通路。

3 Results

3.1 生理指标变化

冷胁迫2小时时SOD活性升至228.94 U g^-1，为对照2.4倍；可溶性糖（SS）在12小时积累至16.82 μg g^-1，表明早期氧化防御与晚期渗透调节协同作用。丙二醛（MDA）在6小时达峰值（38.54 μmol g^-1），反映膜脂过氧化损伤。

3.2 转录组动态

CK vs H2比较筛选出20,671个差异表达基因（DEGs），其中上调基因（11,616个）富集于光合作用和抗氧化代谢（如谷胱甘肽代谢）。随胁迫延长，H6 vs H12阶段类黄酮生物合成通路显著激活，揭示植物通过次级代谢增强长期适应。

3.3 趋势分析

早期（H2）基因上调主导快速应激响应，中期（H6）碳代谢通路受抑以优化资源分配，晚期（H12）次级代谢产物合成相关基因（如苯丙烷生物合成）持续活跃，体现“防御-适应-维持”的三阶段调控模式。

4 Discussion

生理与转录组数据一致性验证了三叶型车轴草的阶段性适应策略：早期通过SOD/POD/CAT酶活升高清除活性氧（ROS），晚期依赖Pro/SS积累及类黄酮合成增强细胞稳定性。与苜蓿（Medicago sativa）等豆科植物相比，其独特的MAPK信号通路与CBFs转录因子激活可能是其高耐寒性的分子基础。

5 Conclusions

三叶型车轴草通过动态调控抗氧化防御、渗透平衡及次级代谢通路，形成多层次的冷适应机制。该研究为豆科牧草抗寒育种提供了关键基因靶点与理论支撑。