欧洲山毛榉对海拔-光照-季节梯度的代谢组学适应机制揭示环境驯化新路径

《Plant Physiology and Biochemistry》：Environmental metabolomics reveals acclimatization mechanisms of European beech trees to natural altitudinal, light, and seasonal gradients

本研究通过非靶向（KEGG映射836种代谢物）与靶向代谢组学结合多变量分析（PERMANOVA、PCA、sPLS、随机森林），系统揭示欧洲山毛榉在海拔（400-1100 m）、冠层位置（阳叶/阴叶）和季节（7月/9月）梯度下的代谢调控网络。发现季节是代谢变异主导因子，脂质代谢途径（如α-亚麻酸代谢）随季节上调，而萜类化合物下降；海拔与季节交互作用显著影响氨基酸代谢，高海拔阳叶中支链氨基酸9月显著积累。靶向分析进一步证实氨基酸/酚类化合物变化与叶片性状（RuBisCO含量、LMA、iWUE）关联，为植物环境适应机制提供分子层面证据。

　　

亮点

讨论

本研究主要旨在识别欧洲山毛榉沿海拔梯度驯化过程中涉及的代谢通路和关键代谢物。我们进一步假设这些代谢变化会受到冠层内光强自然梯度与季节进程（反映生长条件和叶片个体发育变化）的协同调控。与关注特定化合物或类别的研究不同，我们的多因素设计揭示了环境梯度之间复杂的相互作用。特别是，季节进程主导了代谢组变异，这与叶片衰老过程中资源从生长向储存和防御的重新分配一致（H?rtensteiner 2006）。脂质相关代谢物池的增加，尤其是涉及α-亚麻酸和抗坏血酸代谢的途径，表明膜稳定性和抗氧化保护在季节过渡期的重要性（Niu et al. 2023）。相反，单萜类途径评分的降低可能与生长后期挥发性防御投资的减少有关（Loreto and Schnitzler 2010）。

海拔与季节对氨基酸代谢的显著交互作用揭示了环境胁迫记忆的微妙机制。9月份高海拔地区支链氨基酸和相关氨基酸的增加，特别是在阳叶中，可能反映了对低温诱导的蛋白质周转和碳骨架可用性变化的适应（Hildebrandt et al. 2015）。这些发现与高海拔植物通过调整氮代谢以应对低温胁迫的报道一致（Guy et al. 2008）。此外，靶向分析中酚类化合物的变化，例如某些黄酮类化合物的增加，与增强的紫外线防护和抗氧化能力有关（Agati et al. 2012），这在高海拔地区尤其重要。

结论

中欧欧洲山毛榉自然海拔梯度上的环境变化（主要由温度、水分和养分水平的变化驱动）与脂质和植物化学相关代谢物池的显著转变相关，这通过非靶向代谢组学得以揭示。靶向分析揭示了氨基酸和酚类化合物的数量和组成发生显著变化，二者均与植物胁迫响应相关。在所有对比中，季节进程是代谢组变异的最主要驱动因素，其次是冠层位置和海拔。我们的结果强调了代谢通路水平的调整在植物对环境梯度驯化中的重要性，这些调整与沿海拔变化的温度、水分、养分和光照条件相一致。未来的研究应探索这些代谢变化在生态系统层面的后果，例如对养分循环和物种相互作用的影响。