高温与高CO2交互调控芸苔属植物硫代葡萄糖苷代谢的器官特异性响应机制

《Plant Stress》：Increasing temperatures and CO 2 impact on primary and specialized metabolism of Brassica species

本研究聚焦气候变化背景下高温与高CO2浓度对芸苔属作物品质形成的影响机制。研究人员通过比较两种基因型甘蓝在30°C和30°C+eCO2条件下的代谢组学响应，发现高温与CO2的协同作用会通过调控MYB转录因子表达，诱导根系吲哚族硫代葡萄糖苷的显著积累，同时改变天门冬氨酸/谷氨酸的器官间转运模式。该研究揭示了气候因子通过器官特异性代谢重编程影响作物营养品质的新机制，为抗逆育种提供了理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，大气二氧化碳浓度持续攀升，预计到本世纪中叶将达到550 ppm以上。与此同时，温室气体效应导致全球平均气温不断升高，这种双重环境压力对农业生产系统构成了严峻挑战。特别是对于芸苔属作物这类富含硫代葡萄糖苷的重要蔬菜而言，环境因子的变化可能直接影响其营养品质和健康功效。然而，当前研究多集中于单一环境因子对作物代谢的影响，对高温与高CO₂交互作用的系统性研究仍显不足，特别是不同器官的差异化响应机制尚不明确。

为深入解析这一科学问题，来自德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所的研究团队在《Plant Stress》期刊发表了创新性研究成果。他们选取两种具有显著代谢差异的甘蓝基因型——野生型Winspit和栽培品种Parthenon，通过精确控制生长环境，系统研究了30°C高温和30°C结合高CO₂浓度对植株代谢网络的调控机制。

研究采用多组学整合分析策略，主要关键技术包括：代谢物靶向定量分析、转录因子表达谱检测、元素含量测定等。通过比较不同处理下根系和地上部的代谢物积累模式，结合MYB转录因子家族的表达变化，揭示了环境因子通过调控初级代谢和次级代谢的协同网络影响硫代葡萄糖苷合成的分子机制。

高温与CO₂交互作用改变芸苔属植物的碳氮硫平衡

研究人员发现，30°C高温单独处理显著提高了两种基因型地上部的氮含量，这可能与高温增强的光呼吸活性有关。然而当高温与高CO₂结合时，虽然氮含量仍保持较高水平，但硫含量显著降低，导致氮硫平衡被打破。这种代谢失衡可能通过影响含硫氨基酸的合成，进而调控硫代葡萄糖苷的生物合成。特别值得注意的是，高CO₂浓度明显降低了地上部的天门冬氨酸和谷氨酸含量，而在根系中这两种氨基酸却显著积累，表明环境因子可能通过调节氨基酸的器官间转运来实现代谢重编程。

关键代谢物呈现器官特异性响应模式

研究揭示了多个关键代谢物对环境因子的差异化响应。柠檬酸在高温条件下地上部减少而根系增加，抗坏血酸在高CO₂条件下地上部积累而根系减少，甘油酸在所有处理中均显著降低。这些代谢物的变化模式表明，高温可能主要通过影响柠檬酸代谢来调节碳分配，而高CO₂则可能通过增强抗坏血酸-谷胱甘肽循环来提高抗氧化能力。特别是吲哚-3-乙腈在根系中的显著积累，提示硫代葡萄糖苷的降解代谢可能对环境变化尤为敏感。

MYB转录因子家族介导硫代葡萄糖苷代谢的重编程

通过对调控硫代葡萄糖苷合成的MYB转录因子进行系统分析，研究人员发现不同家族成员对环境因子的响应存在显著差异。MYB29.1在地上部被高温和高CO₂显著诱导表达，可能与观察到的脂肪族/吲哚族硫代葡萄糖苷比值升高相关。而在根系中，高CO₂条件下所有MYB28和MYB29家族成员均被显著抑制，同时MYB51.1和MYB51.2被明显诱导，这种表达模式与根系中吲哚族硫代葡萄糖苷的积累趋势高度一致。值得注意的是，某些同源基因的表达变化与代谢物积累模式不完全匹配，提示在芸苔属植物中可能存在更为复杂的转录调控网络。

硫代葡萄糖苷谱呈现基因型和器官特异性调控

代谢分析显示，Winspit基因型的总硫代葡萄糖苷含量是Parthenon的2-3倍，且两种基因型的硫代葡萄糖苷组成存在显著差异。环境因子对硫代葡萄糖苷代谢的影响表现出明显的器官特异性：在地上部，高温主要促进脂肪族硫代葡萄糖苷积累，导致脂肪族/吲哚族比值升高；而在根系中，高温和高CO₂的协同作用显著诱导吲哚族硫代葡萄糖苷合成，特别是葡萄糖芸苔素和新葡萄糖芸苔素。这种器官特异性响应模式可能与不同器官的代谢功能和环境感知机制差异密切相关。

该研究首次系统揭示了高温与高CO₂交互作用通过调控MYB转录因子表达网络，实现对芸苔属植物硫代葡萄糖苷代谢的器官特异性重编程。研究发现环境因子不仅影响硫代葡萄糖苷的绝对含量，更重要的是改变了不同类别硫代葡萄糖苷的比例，这种质的变化可能对作物的风味品质和健康功效产生深远影响。特别值得注意的是，栽培品种Parthenon对环境变化的响应程度明显弱于野生型Winspit，提示现代农业育种在提高作物产量的同时，可能无意中削弱了作物对复杂环境胁迫的适应能力。

研究结果对应对气候变化下的农业生产具有重要指导意义：一方面，通过理解环境因子调控硫代葡萄糖苷代谢的分子基础，为培育适应未来气候条件的优质作物品种提供了新靶点；另一方面，研究揭示的器官特异性响应机制为制定精准的栽培管理措施提供了理论依据，例如通过调节根区环境来优化根系次生代谢物的合成。此外，该研究建立的多因子互作研究范式为解析复杂环境对作物品质形成的综合效应提供了新思路，对保障未来粮食安全和农产品质量具有重要战略意义。