一项多组学比较分析揭示了附生兰和地生兰（Cymbidium属）在水淹条件下的不同响应机制

《Environmental and Experimental Botany》：A multi-omics comparative analysis reveals differential responses of epiphytic and terrestrial orchids in Cymbidium to waterlogging

水涝胁迫下，陆生兰C. sinense通过增强丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢及亚油酸代谢维持能量稳态和膜完整性，而附生兰C. tracyanum依赖次生代谢物积累，但导致能量枯竭和细胞结构崩溃。

　　水涝胁迫是植物生长发育过程中面临的一种重要非生物胁迫，它通过诱导根部缺氧、代谢失衡和氧化损伤，对植物的生长产生显著影响。在这一背景下，兰科植物因其在观赏和药用方面的价值而备受关注。然而，水涝对兰科植物的影响尤为严重，特别是在栽培过程中，常导致根部腐烂等现象。为了深入理解兰科植物对水涝胁迫的响应机制，本研究通过整合生理、代谢组学和转录组学分析，探讨了两种具有不同生态类型的兰科植物——地生兰 *Cymbidium sinense* 和附生兰 *C. tracyanum* 在水涝胁迫下的差异反应和适应策略。

研究发现，*C. tracyanum* 在水涝胁迫下表现出更严重的形态学和超微结构损伤，同时伴随着更严重的根部缺氧、根活性下降、可溶性糖减少以及更高的氧化应激水平。相比之下，*C. sinense* 似乎更能抵御水涝胁迫，其细胞结构和代谢状态受到的损害程度较小。代谢组学和转录组学分析揭示了这两种植物在应对水涝胁迫时采用了根本不同的策略。*C. sinense* 更倾向于积累初级代谢物，尤其是脂类，并特异性上调了与甘油三酯生物合成和UDP-糖基转移酶相关的基因。这些基因的表达增强了其初级代谢通路，如丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，以及亚油酸代谢，从而支持其水涝耐受性。相反，*C. tracyanum* 则主要积累多样化的次级代谢物，并依赖于如苯丙烷类和酪氨酸代谢等通路。这种高投入策略可能使其对水涝胁迫更加敏感。

研究结果为理解兰科植物中地生与附生类型在水涝胁迫下的差异反应提供了机制上的见解。这些发现不仅揭示了兰科植物的适应和进化过程，也为优化其栽培策略提供了科学依据。通过揭示不同生态类型植物在水涝胁迫下的响应机制，本研究有助于更好地理解植物如何在不同的环境压力下调整其生理和代谢活动，从而维持生长和生存。

在水涝胁迫的背景下，植物的适应性机制主要涉及两个方面：能量危机和氧化损伤的应对。植物在缺氧条件下会启动发酵代谢，以维持最低限度的能量供应。然而，这种代谢重编程虽然在短期内有助于生存，却可能因能量效率低下而导致长期的代谢崩溃。此外，缺氧会干扰线粒体的电子传递链，导致电子载体的过度还原，从而引发电子泄漏和大量活性氧（ROS）的产生，如超氧阴离子（O?·?）、过氧化氢（H?O?）和羟基自由基（OH·）。这些ROS的积累会对细胞结构造成破坏，影响营养和能量运输，并损害膜完整性。在植物细胞层面，ROS的过度积累会导致质膜泡状变性、DNA断裂、细胞器降解和细胞壁破坏。

为了应对这些胁迫，植物通常会激活一系列抗氧化防御系统。这些系统包括关键的抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽S-转移酶（GST）。这些酶协同作用，以清除ROS并减轻氧化损伤。此外，非酶促抗氧化剂如谷胱甘肽、抗坏血酸、酚类化合物、黄酮类化合物和特定氨基酸也参与了这一过程。抗氧化能力的增强是水涝耐受性的显著特征，这一现象在多种植物中均有体现，如玉米、油菜、菊花和番茄。

水涝适应性的调控涉及复杂的信号传导网络，包括氧气感应信号传导、转录调控和形态变化。其中，激素信号传导，尤其是乙烯信号传导，被认为是整合反应的关键调控因子。乙烯作为一种关键的早期缺氧信号，能够诱导形成气腔以促进内部氧气扩散，促进气生根的形成以增强结构稳定性和营养吸收能力，并通过乙烯响应因子（ERF）介导的基因表达增强缺氧响应。ERF的活性受到氧气依赖的蛋白酶解机制的动态调控，主要通过N端规则途径实现，从而能够精确调控基因表达以适应氧气供应的变化。

兰科植物因其形态和生态适应性的多样性而闻名，包括附生、地生和腐生等多种生活型。其中，大约70%的兰科植物为附生类型，它们生长在其他植物的树冠上，依赖大气中的水分和根部周围积累的养分。而地生兰则适应于高水分环境，如森林土壤。这种生态差异可能导致兰科植物在水涝适应性上存在显著的策略分歧。尽管已有研究探讨了附生兰的抗旱能力，但它们对水涝胁迫的敏感性仍显突出。然而，目前对兰科植物如何响应水涝胁迫，特别是附生与地生兰之间的差异，研究仍显不足。

本研究以兰科植物 *Cymbidium* 为例，选取了两种具有不同生态特性的物种——附生兰 *C. tracyanum* 和地生兰 *C. sinense*，通过整合超微结构、生理、代谢组学和转录组学方法，揭示了它们在水涝胁迫下的差异反应和适应策略。研究假设附生兰可能对水涝胁迫更为敏感，并具有与地生兰不同的适应机制。研究结果表明，附生兰 *C. tracyanum* 在水涝胁迫下表现出更严重的生理和代谢变化，而地生兰 *C. sinense* 则展现出更强的耐受性。

通过实验观察和数据分析，研究发现 *C. tracyanum* 在水涝胁迫下的形态学和超微结构变化更为显著。例如，在水涝14-21天时，其成熟叶片出现渐进性黄化，根部则表现出严重的腐烂现象，包括灰白色变色和明显的组织软化及腐臭味，表明其根部发生厌氧分解。而 *C. sinense* 在整个实验期间均未表现出明显的损伤迹象，其叶片形态和根部结构保持稳定，无明显坏死或变色。这些结果表明，*C. sinense* 在水涝胁迫下的耐受性优于 *C. tracyanum*。

超微结构观察进一步揭示了 *C. tracyanum* 和 *C. sinense* 在水涝胁迫下的细胞退化模式。在 *C. tracyanum* 中，细胞结构随时间逐渐恶化，包括细胞质中囊泡的积累、线粒体结构的模糊和细胞器的破碎，最终导致核膜的解体。相比之下，*C. sinense* 的细胞结构虽然也受到一定程度的破坏，但其退化过程更为缓慢，且损伤程度明显低于 *C. tracyanum*。这些差异可能与两种植物在应对水涝胁迫时的不同生理和代谢策略有关。

生理参数的测定进一步支持了上述结论。研究发现，在水涝胁迫下，*C. tracyanum* 的根部氧气含量显著下降，导致根系功能受损。同时，其新根存活数量和根活性均明显减少，而可溶性糖和膜脂质过氧化水平则显著升高。这些变化表明，*C. tracyanum* 在水涝胁迫下经历了严重的能量危机和氧化损伤。相比之下，*C. sinense* 的根部氧气供应相对稳定，其生理功能未受到显著影响，显示出更强的水涝耐受性。

代谢组学分析揭示了两种植物在水涝胁迫下的代谢响应。研究发现，*C. tracyanum* 的代谢物变化更为复杂，其代谢组中次级代谢物的富集程度显著高于 *C. sinense*。这种次级代谢物的积累可能与植物的防御机制有关，但同时也表明其代谢资源的大量消耗。相反，*C. sinense* 的代谢组变化主要集中在初级代谢物上，其脂类、氨基酸和碳水化合物的积累更为显著，这可能与其维持核心代谢稳定性和膜完整性有关。

转录组学分析进一步揭示了两种植物在水涝胁迫下的基因表达模式。研究发现，*C. tracyanum* 的差异表达基因（DEGs）数量随时间逐渐增加，表明其在应对水涝胁迫时经历了持续的转录重编程。这些基因主要参与次级代谢和信号传导，如苯丙烷类生物合成和酪氨酸代谢。而 *C. sinense* 的DEGs则表现出动态变化，其基因表达模式更倾向于维持初级代谢和细胞蛋白稳态。这种差异可能反映了两种植物在应对水涝胁迫时的不同策略。

此外，研究还发现，两种植物在应对ROS方面存在显著差异。*C. tracyanum* 在水涝胁迫下表现出早期和持续的ROS积累，这与其高表达的ROS相关基因如RBOHC和GST有关。这些基因的持续上调可能未能有效抑制ROS的积累，导致严重的膜脂质过氧化。而 *C. sinense* 则表现出延迟的ROS积累，其基因表达模式更倾向于上调抗氧化酶如POD和APX，从而更有效地清除ROS。这种差异可能与其更有效的抗氧化系统有关。

本研究的结果不仅揭示了兰科植物中地生与附生类型在水涝胁迫下的适应机制，还提供了对它们进化和适应策略的深入理解。这些发现对于优化兰科植物的栽培策略具有重要意义，特别是在水涝频发的地区，了解不同生活型植物的适应性可能有助于提高其种植效率和存活率。此外，研究还指出，水涝适应性可能受到植物原生碳水化合物储备和其战略性动员的影响，这对于理解植物如何在不同环境压力下维持生存具有重要的启示。

总体而言，本研究通过多维度的分析方法，揭示了 *C. tracyanum* 和 *C. sinense* 在水涝胁迫下的差异反应和适应策略。这些结果不仅有助于理解兰科植物的适应机制，也为未来的研究提供了方向，特别是在探索不同兰科植物在水涝胁迫下的适应性差异和其潜在的分子机制方面。