不同倍性桑树光合特性差异的转录组与代谢组联合解析及其育种价值

为解决多倍体桑树光合优势机制不明的问题，广西壮族自治区蚕业技术推广站团队通过比较三倍体GS6与二倍体GSY12的叶片显微结构、光合参数及转录组/代谢组特征，发现GS6具有更厚的栅栏组织（1.4倍）、更高叶绿素含量（P<0.01）及73个光合相关差异基因（DEGs）上调，揭示多倍化通过增强光系统II（PSII）反应中心基因表达和卡尔文循环代谢物（如D-景天庚酮糖-7-磷酸）积累提升光合效率，为桑树高光效育种提供分子靶点。

　　

论文解读

桑树作为重要的经济作物，其叶片不仅是家蚕的唯一饲料，还具有显著的药用价值。然而，传统育种中关于多倍体桑树（染色体组数≥3）是否具有光合优势的机制一直缺乏系统研究。现有文献多聚焦于环境胁迫对桑树光合的影响，而对倍性差异导致的叶片结构优化、光能利用效率提升等关键科学问题鲜有涉及。这严重制约了高生物量桑树品种的选育进程。

针对这一空白，广西壮族自治区蚕业技术推广站联合广西桑树遗传改良与高效育种重点实验室的Dan Liu等研究人员，选取当地主推的三倍体品种"桂桑6号"（GS6，2n=3x=42）和二倍体对照"桂桑优12"（GSY12，2n=2x=28），通过显微观测、光合仪测定、Illumina Novaseq 6000转录组测序和LC-MS/MS非靶向代谢组学等技术，首次从多组学角度揭示了多倍体桑树的光合增效机制。

关键技术方法
研究采用LI-6400XT便携式光合仪测定日变化光合参数（Pn、Gs、Ci等），通过石蜡切片和扫描电镜（SEM）分析叶片解剖结构，基于Illumina平台进行转录组测序（PRJNA1137124），结合UHPLC-Q Exactive HF-X系统开展代谢组检测，利用qRT-PCR验证关键基因表达。所有实验均设置3次生物学重复，数据经SPSS 25.0进行ANOVA分析。

研究结果

光合特性差异
GS6的净光合速率（Pn）峰值达19.42 μmol·m^-2·s^-1，显著高于GSY12（16.10）（P<0.05），且具有典型的"午休"双峰曲线。其气孔导度（Gs）和胞间CO₂浓度（Ci）全天维持更高水平（图1A-C），叶绿素a+b总量较二倍体提升21.3%（P<0.01）。

叶片结构优势
显微观测显示GS6叶片厚度达134.98 μm（GSY12为82.96 μm），栅栏组织厚度增加92.5%（表2）。电镜显示其下表皮气孔密度达1387.72个/mm²（GSY12为1007.22），且80%气孔处于开放状态（图2E-F），显著促进CO₂交换。

转录组特征
共鉴定4511个差异基因（DEGs），其中64个光合相关基因在GS6中显著上调（图5）。包括光系统I（PSI）反应中心亚基PSAK（5.39倍）、光系统II（PSII）核心蛋白PSBY，以及13个叶绿素a/b结合蛋白基因（LHCBs）。KEGG富集显示碳固定通路（ko00710）显著激活。

代谢组关联分析
4种光合相关代谢物（DEMs）在GS6中积累，其中D-景天庚酮糖-7-磷酸（Calvin循环中间体）和原叶绿素酸酯（叶绿素前体）含量分别增加2.1倍和1.8倍（图7）。叶绿素降解产物焦脱镁叶绿酸a则下降37.5%，印证了三倍体叶绿素稳定性更优。

结论与意义
该研究首次阐明桑树多倍化通过"结构-基因-代谢"三级调控增强光合能力的分子机制：三倍体GS6凭借更厚的栅栏组织（光捕获优化）、高气孔密度（CO₂传输增强）、光合基因剂量效应（PSI/PSII组件增加）及Calvin循环代谢流加速（SBPase等酶活性提升），构建了高效的光能转化体系。发表于《Scientific Reports》的这项成果，不仅为多倍体作物高光效育种提供新靶点（如Plastocyanin铜蛋白基因），其建立的"显微观测-生理测定-多组学关联"技术路线，对木本植物光合机理研究具有范式价值。未来可基于这些发现，设计跨倍性杂交策略培育超高产桑树新品种。