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为探究防风（Saposhnikovia divaricata，SD）耐冷机制，研究人员开展转录组和代谢组分析，发现其耐冷与多种代谢及激素信号通路有关，为相关研究提供依据。
# 防风冷胁迫机制研究：解锁寒地植物生存密码
在我国东北，冬季受西伯利亚高压影响，气候寒冷，积雪覆盖数月之久。这样的环境对当地植物的生存繁衍提出了巨大挑战，尤其是多年生草本植物，它们必须进化出独特的适应机制才能在低温环境中存活。防风（Saposhnikovia divaricata，SD）作为一种广泛分布于我国东北和北方省份的多年生药用草本植物，具有重要的药用、营养和经济价值，然而，其应对冷胁迫的分子机制却鲜为人知。这一知识空白不仅限制了对寒地植物适应性的理解，也阻碍了针对防风等药用植物的精准种植和品种改良。为了填补这一空白，来自齐齐哈尔医学院的研究人员开展了一项深入研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。
研究方法
研究人员首先收集了来自中国大兴安岭地区塔河县的防风种子，并在齐齐哈尔医学院的可控环境中进行培育。待种子萌发 48 天后，对幼苗进行不同时长的 4°C 冷胁迫处理（6h、12h、24h、48h、72h），同时设置未经冷处理的对照组。随后，研究人员综合运用多种技术手段，全面剖析防风在冷胁迫下的生理生化变化、代谢物谱和基因表达谱的改变。具体而言，利用生理生化检测试剂盒测定各项生理指标；采用超高效液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）技术进行非靶向代谢组学分析；借助 Illumina 测序平台进行转录组测序，并运用加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘关键基因模块和枢纽基因；最后通过实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT - PCR）验证转录组数据的准确性。
研究结果
- 形态和生理变化：冷胁迫下，防风幼苗叶片逐渐枯萎，植株出现明显倒伏。MDA 含量显著增加，表明细胞膜结构受损和脂质过氧化加剧。同时，脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等渗透调节物质大量积累，抗氧化酶（CAT、SOD、APX）活性显著增强，这些变化有助于维持细胞的渗透压和减轻氧化损伤。
- 代谢组学响应：研究人员共检测到 1396 种代谢物。主成分分析（PCA）显示不同冷处理组间代谢物存在显著差异。筛选出的差异表达代谢物（DEMs）主要涉及脂质、有机酸、氨基酸及其衍生物、木质素和香豆素、酚酸、生物碱、核苷酸及其衍生物、类黄酮、萜类化合物等类别。KEGG 富集分析表明，这些 DEMs 主要参与淀粉和蔗糖代谢、半乳糖代谢、苯丙氨酸代谢等途径，暗示这些代谢途径在防风应对冷胁迫中发挥重要作用。
- 转录组学响应：转录组测序共鉴定出 6024 个（Cold6h vs. CK）和 13155 个（Cold48h vs. CK）差异表达基因（DEGs）。GO 富集分析显示，这些 DEGs 主要参与氧化还原酶活性、胚胎发育、细胞蛋白质修饰过程、跨膜运输等生物学过程和分子功能。KEGG 富集分析表明，冷胁迫显著影响了苯丙烷代谢、植物激素信号转导、α - 亚麻酸代谢、类黄酮生物合成等多条信号通路。此外，研究人员还鉴定出 2071 个转录因子（TFs），并通过 WGCNA 发现 MEyellow 模块与 SOD 活性、MDA 水平和可溶性糖含量显著相关，模块内的 20 个枢纽基因可能与防风的耐寒性密切相关。
- 代谢组和转录组联合分析：联合分析发现，淀粉和蔗糖代谢、ABC 转运体、氨基酸糖和核苷酸糖代谢等途径在 Cold48h vs. CK 组中显著富集；苯丙烷生物合成途径在 Cold6h vs. CK 组中富集；植物激素信号转导途径在 Cold48h vs. Cold6h 组中富集。这些结果进一步证实了上述代谢途径和激素信号通路在防风耐冷机制中的关键作用。同时，研究发现糖代谢相关基因与类黄酮和萜类化合物生物合成基因存在共表达模式，且这些基因的表达变化与相应代谢物的积累趋势一致。
研究结论与意义
综合生理生化、代谢组和转录组分析结果，研究表明防风对冷胁迫的响应主要涉及植物激素信号通路、淀粉和蔗糖代谢、次生代谢物生物合成以及活性氧（ROS）清除途径。在冷胁迫下，防风通过调节这些途径中的关键基因和代谢物，维持细胞内环境的稳定，增强抗氧化防御能力，从而提高自身的耐寒性。例如，蔗糖磷酸合成酶（SPS）和海藻糖 - 6 - 磷酸合成酶（TPS）基因的上调促进了糖类的积累，有助于提高防风的抗冻能力；植物激素如脱落酸（ABA）、生长素（IAA）和茉莉酸（JA）通过调节相关基因的表达，协同调控防风的生长和对冷胁迫的响应；类黄酮和萜类化合物的积累增强了防风对 ROS 的清除能力，减轻了氧化损伤。
该研究不仅揭示了防风应对冷胁迫的分子机制，为深入理解寒地植物的适应性提供了新的视角，还为防风的种植实践和品种选育提供了重要的理论依据。未来，研究人员可以基于这些发现，进一步探索提高防风耐寒性的方法，优化种植策略，从而保障防风的产量和质量，推动寒地药用植物产业的发展。同时，该研究也为其他植物应对冷胁迫的研究提供了有益的参考，有助于拓展对植物逆境适应机制的认识。
