圆叶白粉藤应对干旱胁迫时黄酮类化合物积累与转录调控机制研究

为探究圆叶白粉藤（Cissus rotundifolia Lam.）干旱响应机制，研究人员开展转录组和代谢组分析，发现黄酮类化合物起关键作用。

　　《圆叶白粉藤应对干旱胁迫时黄酮类化合物积累与转录调控机制研究》

在广袤的热带草原上，圆叶白粉藤（Cissus rotundifolia Lam.）如同一位坚韧的 “勇士”，面对频繁的干旱挑战，展现出卓越的抗旱能力。它不仅是传统医学中的 “宝藏”，还因其独特的观赏价值，在园艺领域备受青睐。然而，长期以来，科学界对它应对干旱的内在机制知之甚少，这就像一层神秘的面纱，笼罩在它的身上。

随着全球气候变化的加剧，干旱问题日益严重，对农作物、蔬菜和药用植物的生长构成了巨大威胁。在这样的大背景下，深入研究圆叶白粉藤的抗旱机制变得尤为迫切。中国科学院武汉植物园等研究机构的研究人员勇挑重担，开启了对圆叶白粉藤干旱响应和调控机制的探索之旅。他们的研究成果发表在《Stress Biology》上，为我们揭开了圆叶白粉藤抗旱的神秘面纱。

研究人员采用了多种先进的技术方法来开展这项研究。在实验材料方面，他们精心挑选了来自肯尼亚基图伊县恩道山的圆叶白粉藤茎插条，在温室中悉心培育，待其生根并长出 3 - 4 片成熟叶片后，用于干旱处理实验。转录组测序（RNA - seq）技术是研究基因表达变化的重要手段，通过对不同干旱处理下的叶片进行 RNA - seq，分析差异表达基因（DEGs）。代谢组学分析则利用超高效液相色谱 - 串联质谱（UPLC - MS/MS）技术，对叶片中的黄酮类化合物进行定量和定性分析，从而探究干旱胁迫下黄酮类化合物的变化规律。

下面来看看具体的研究结果：

1. 表型和生理响应：研究人员模拟干旱环境，将圆叶白粉藤扦插苗分别置于相对含水量为 100%（CK，对照）、10%（D9，浇水后 9 天）和 0%（D12，浇水后 12 天）的培养基中。令人惊讶的是，即使在 D12 的严重干旱条件下，植株的叶片也没有出现明显的萎蔫或变黄现象。叶片相对含水量（RWC）在 D9 时基本不变，到 D12 时降至 70%。丙二醛（MDA）含量仅在 D12 时增加，表明膜损伤仅在严重干旱时发生。而 H₂O₂含量在 D9 和 D12 均增加，抗氧化酶（POD 和 SOD）活性上升，过氧化氢酶（CAT）活性显著下降。这一系列变化表明，植株在 D9 时已感知到干旱胁迫，虽然没有明显的形态变化，但生理上已经做出了响应，根据这些指标，研究人员将 D9 定义为中度干旱胁迫，D12 定义为严重干旱胁迫。
2. 转录组分析：研究人员对 CK、D9 和 D12 三个处理组的叶片进行 RNA - seq，每个处理组设置 3 个生物学重复。共鉴定出 16162 个基因，其中在不同比较组中发现了大量的差异表达基因（DEGs）。通过层次聚类分析，这些 DEGs 被分为五个不同的簇。簇 2 中的 DEGs 在干旱处理过程中上调，基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，这些基因主要参与苯丙烷生物合成、黄酮类生物合成和半乳糖代谢途径。这意味着在干旱胁迫下，圆叶白粉藤可能通过调节这些途径来应对逆境。
3. 干旱响应途径：进一步聚焦簇 2 中参与苯丙烷、黄酮类生物合成和半乳糖代谢途径的关键基因，研究人员发现，随着干旱程度的增加，这些途径中关键基因的表达水平普遍上升。在苯丙烷生物合成途径中，如苯丙氨酸 / 酪氨酸解氨酶（PAL）、反式肉桂酸 4 - 单加氧酶（C4H）等基因家族的表达量在干旱处理组中高于对照组；在黄酮类生物合成途径中，多数关键基因（如 CHI、F3H 等）在干旱胁迫下高表达；半乳糖代谢途径中，大部分相关 DEGs 也显著上调，特别是棉子糖合酶（RAFS）基因家族。这些结果表明，这些代谢途径在圆叶白粉藤应对干旱胁迫中发挥着重要作用。
4. 代谢组学分析：转录组分析显示干旱胁迫下黄酮类生物合成途径被富集，研究人员接着对叶片总黄酮含量进行检测，发现中度干旱（D9）和严重干旱（D12）条件下的总黄酮含量明显高于正常条件（CK）。通过 UPLC - MS/MS 技术，共检测和定量了 57 种黄酮类化合物，包括花青素、查耳酮、黄烷醇等。其中，黄酮醇含量最为丰富，其次是黄酮。进一步分析发现，大多数黄酮类化合物的积累水平随着水分亏缺的加剧而增加，鉴定出 10 种差异积累代谢物（DAMs），其中 9 种（如两种黄烷醇、两种黄酮醇、四种黄酮和一种黄烷酮）在干旱胁迫下含量增加，表明它们在圆叶白粉藤应对干旱中起积极作用。
5. 候选黄酮类生物合成相关 DEGs：研究人员构建了所有 DEGs 的共表达网络，筛选出前 10 个枢纽基因，这些基因在圆叶白粉藤叶片应对干旱胁迫中可能发挥重要作用。结合转录组和代谢组数据，发现黄酮类生物合成途径中的关键基因，如黄酮合酶（FLS）和无色花青素还原酶（LAR），可能是响应干旱胁迫下黄酮类生物合成的核心调节因子。此外，还鉴定出 77 个转录因子（TFs）为 DEGs，它们与 FLS 和 LAR 存在共表达关系，暗示这些 TFs 可能参与调控黄酮类化合物的生物合成以及圆叶白粉藤对干旱胁迫的响应。

在讨论部分，研究人员指出，圆叶白粉藤在干旱条件下黄酮类化合物水平的增加可能增强其抗氧化能力，从而提高抗旱性。许多研究表明，黄酮类化合物可以通过清除活性氧（ROS）来减轻氧化损伤。在本研究中，虽然所有处理组的化合物种类相似，但随着干旱程度的增加，大多数黄酮醇的浓度上升，这与它们较高的抗氧化效率有关。此外，转录因子在黄酮类化合物生物合成的调控中起着关键作用，然而本研究中虽然发现了转录因子与黄酮类化合物积累之间的协调关系，但仍需要进一步验证。

总的来说，这项研究通过转录组和代谢组学分析，揭示了圆叶白粉藤在干旱胁迫下黄酮类化合物积累和转录调控的机制。研究发现，干旱处理下黄酮类化合物含量增加，这与苯丙烷和黄酮类生物合成途径中关键结构基因的高表达一致，同时还鉴定出了如 FLS、LAR 等潜在的调控基因。这些发现不仅增进了我们对圆叶白粉藤黄酮类生物合成的理解，也为进一步研究该物种以及葡萄科其他成员的干旱胁迫响应机制奠定了基础，有望为提高植物抗旱性的遗传改良提供理论依据。