通过代谢组学和转录组学研究，揭示了红生菜品种中响应氮素变化的黄酮类化合物生物合成机制

《Journal of Agriculture and Food Research》：Metabolomic and transcriptomic insights into nitrogen-responsive flavonoid biosynthesis in red lettuce varieties

氮浓度对红生菜生理及多酚代谢的影响机制研究。通过代谢组学和转录组学分析，发现高氮促进H20K7044生长及叶绿素合成，低氮显著诱导H20K7044槲皮素等多酚积累，两者关键基因（PAL、CHI、ANS等）及代谢通路（苯丙烷、黄酮类）差异显著，揭示基因型-环境互作对次生代谢的调控作用。该研究为精准氮肥管理优化红生菜营养品质提供理论依据。

　　氮是植物生长和发育过程中不可或缺的重要宏量营养元素，其浓度变化对氮利用效率（NUE）和代谢途径具有显著影响。尽管氮的重要性不言而喻，但其在两种不同的红生菜品种（H20K7044和H20K3447）中对生物量积累和多酚生物合成的具体机制影响仍需深入研究。本研究通过整合代谢组学和转录组学分析，旨在揭示氮浓度变化对红生菜代谢动态的影响。研究采用三种不同的氮处理，包括高氮（10 mmol L?1）、低氮（2.5 mmol L?1）和正常氮（5 mmol L?1）浓度。高氮供应显著提升了H20K7044的生长参数和生理参数，包括叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量以及鲜重和干重，而H20K3447在高氮条件下表现出更高的氮平衡指数（NBI）。有趣的是，H20K7044在低氮处理下显示出较高的类黄酮含量。通过绘制多酚代谢通路，我们利用多组学框架识别了生物合成修饰反应，将转录组谱与代谢物网络联系起来，揭示了不同氮处理下品种特异性次级代谢调控的差异。

红生菜是菊科植物，是一种在全球广泛种植的叶用蔬菜，通常以生食形式出现在沙拉中。虽然大多数生菜品种呈现绿色，但富含花青素的红色叶生菜因其增强的植物化学成分和消费者接受度而受到关注。生菜含有多种生物活性代谢物，包括黄酮类化合物和酚酸，这些物质与人类健康促进特性相关，如抗炎和抗心血管疾病。这些代谢物在植物生理学中具有双重作用：初级代谢物支持生长和发育，而次级代谢物则介导对非生物胁迫的适应性反应，包括营养、温度、盐度、干旱和重金属等。氮作为关键的营养元素，对生菜产量和植物化学成分有深远影响。然而，过量或不足的氮供应会破坏代谢稳态，影响光合作用、生物量积累和次级代谢物的生物合成。因此，研究氮供应对植物代谢物合成的影响，对于优化氮肥施用策略，提高生菜的营养价值和植物化学成分含量具有重要意义。

本研究采用多组学方法，以揭示在不同氮浓度下红生菜品种的多酚生物合成调控机制。通过比较不同氮处理下的代谢物和基因表达变化，我们识别了与多酚合成相关的关键基因和代谢枢纽。研究结果表明，高氮处理显著提升了H20K7044的生长和生理参数，而H20K3447则在高氮条件下表现出更高的氮平衡指数。同时，低氮处理下，H20K7044的类黄酮含量显著上升。这些发现强调了多组学整合在解析基因型-环境互作中的作用，并为优化氮肥施用策略提供了可行的见解，以提升生菜的植物化学成分和营养价值。

为了进一步理解多酚生物合成机制，我们对H20K7044和H20K3447红生菜品种进行了代谢组学和转录组学数据整合分析。结果显示，不同氮处理显著影响了红生菜的代谢物和基因表达模式。通过统计分析，我们发现了多种与多酚生物合成相关的代谢物和基因。例如，在低氮处理下，H20K7044中类黄酮的相对含量显著上升，而在高氮处理下，H20K3447表现出更高的氮平衡指数。此外，代谢组学分析还揭示了不同氮浓度下红生菜品种间代谢物积累的差异，包括黄酮类化合物、酚酸类物质和其它多酚衍生物。

研究还发现，多组学整合能够揭示基因型和环境条件之间的复杂关系。在H20K7044和H20K3447红生菜品种中，关键的黄酮类合成基因如PAL（苯丙氨酸氨裂解酶）、CHI（查尔酮异构酶）、ANS（花色苷合成酶）、DFR（二氢黄酮醇4-还原酶）、FLS（类黄酮合成酶）和F3’H（黄酮3’-羟化酶）在低氮条件下均显著上调。这些基因的表达变化表明，低氮供应可能通过激活特定的代谢通路来促进黄酮类化合物的合成。同时，不同氮处理下代谢物的相对含量变化也显示出品种间的差异，例如在H20K7044中，低氮处理下某些代谢物的含量显著增加，而在H20K3447中则表现出不同的模式。

此外，研究还探讨了氮供应对植物转录调控的影响。通过分析不同氮处理下的基因表达变化，我们发现多个与多酚生物合成相关的基因在低氮和高氮条件下表现出显著的上调或下调。例如，在H20K7044中，高氮处理显著上调了多个与黄酮类化合物合成相关的基因，而低氮处理则激活了其他关键代谢基因。同时，H20K3447在不同氮处理下也表现出类似的基因表达模式，但其响应程度和具体基因的上调或下调情况与H20K7044有所不同。这表明，不同品种在氮供应条件下的代谢调控机制存在差异。

在植物信号传导途径中，转录因子在应对氮供应变化方面起着至关重要的作用。研究发现，H20K7044和H20K3447红生菜品种中，多个与黄酮类化合物合成相关的转录因子如ERF（乙烯响应因子）、MYB（Myb-like转录因子）和bHLH（基本螺旋-环-螺旋转录因子）在不同氮处理下表现出显著的表达变化。这些转录因子通过识别特定的DNA序列，调控基因的表达，从而影响植物的代谢和生理响应。例如，ERF家族的转录因子在应对氮供应变化时表现出较高的响应能力，而MYB和bHLH家族的转录因子则在调控次级代谢物合成方面发挥重要作用。

综上所述，本研究通过整合代谢组学和转录组学分析，揭示了不同氮浓度对红生菜品种多酚生物合成的影响。研究结果不仅有助于理解植物在不同氮供应条件下的代谢调控机制，还为优化氮肥施用策略提供了科学依据，从而提升生菜的营养价值和抗逆性。这些发现对于推动精准农业和实现作物的可持续发展具有重要意义，为未来红生菜品种的改良和营养管理提供了新的思路。