碳水化合物饥饿胁迫诱导澳洲坚果果实脱落的比较转录组分析揭示关键分子机制

为解决澳洲坚果因生理性落果导致减产的问题，研究人员通过环剥+去叶(GPD)处理诱导碳水化合物饥饿胁迫，开展比较转录组分析。研究发现GPD处理显著降低果柄中蔗糖和葡萄糖含量，鉴定出2093-5099个差异表达基因(DEGs)，涉及水解酶、碳水化合物代谢、植物激素合成等通路，发现bHLH、ERF等转录因子家族在调控中起关键作用。该研究首次系统解析了碳水化合物饥饿诱导澳洲坚果落果的分子机制，为增产提供遗传资源。

　　

澳洲坚果作为高经济价值的坚果树种，其产量受生理性落果严重制约。盛花期单株可形成2500个花序，但最终仅有不到10%的果实能成熟，超过80%的幼果在花后3-8周脱落。这种"大花大果但低产"的现象与碳水化合物分配失衡密切相关。前人研究发现，每个澳洲坚果果实需要至少50片叶子提供光合产物，且在果实快速膨大期落果最为严重，暗示碳水化合物供应不足可能是关键诱因。虽然已有研究通过环剥、外源细胞分裂素(Forchlorfenuron)处理证实糖类和激素的调控作用，但关于碳水化合物饥饿触发落果的分子机制仍属空白。

广西大学林学院的研究团队通过环剥+去叶(GPD)处理模拟碳水化合物饥饿胁迫，结合生理指标测定和高通量测序技术，系统解析了澳洲坚果果实脱落的分子调控网络。研究发现GPD处理6天后落果率高达93.93%，显著高于对照组的16.47%。果柄组织对胁迫最敏感，蔗糖和果糖含量在处理后1天即显著下降。RNA-seq分析鉴定出6391个差异表达基因(DEGs)，加权基因共表达网络分析(WGCNA)识别出与脱落过程密切相关的粉红、蓝色和红色模块。该研究首次绘制了碳水化合物饥饿诱导果实脱落的转录调控图谱，相关成果发表在《BMC Plant Biology》。

研究采用环剥+去叶(GPD)处理35日龄果实建立胁迫模型，动态监测落果率和可溶性糖含量变化。通过Illumina NovaSeq 6000平台对脱落区(AZ)组织进行转录组测序，使用DESeq2进行差异表达分析，clusterProfiler进行GO和KEGG富集分析。借助PlantTFDB数据库鉴定转录因子，采用WGCNA构建基因共表达网络，并通过qRT-PCR验证关键基因表达模式。

在"碳水化合物饥饿胁迫诱导澳洲坚果果实脱落"部分，研究发现GPD处理将果柄蔗糖含量从36.03 mg·g^-1降至26.89 mg·g^-1，触发脱落进程。转录组数据揭示该过程分为两个阶段：0-2天为诱导期，脱落区获得脱落敏感性；2-5天为执行期，细胞壁降解酶激活导致器官分离。

"淀粉和蔗糖代谢通路DEGs分析"显示，胁迫抑制了蔗糖利用相关基因(INV、FRK、HXK)和淀粉合成基因(AGPase、SSs)，但激活了淀粉降解酶(AMY、BAM)和蔗糖合成限速酶(SPS)基因。特别值得注意的是4个海藻糖磷酸磷酸酶(TPP)和7个海藻糖-6-磷酸合成酶(TPSs)基因的普遍上调，提示海藻糖可能参与胁迫响应。

"植物激素信号转导通路DEGs分析"发现生长素信号通路(AUX/IAA、SAUR)显著抑制，而脱落酸信号元件(STK)激活。细胞分裂素代谢基因UGT和CKX上调导致活性降低，与组学数据中AHP和ARR表达下调一致。油菜素内酯代谢酶CYP734A1的显著上调暗示其通过失活活性BR参与脱落调控。

"差异表达转录因子分析"鉴定出457个TF，其中MYB和bHLH家族成员多下调，而NAC、WRKY家族成员普遍上调。特别值得注意的是NAC1/29/104和WRKY71/75等可能与激素信号交叉对话的核心调控因子。

"WGCNA揭示关键基因"部分显示，粉红模块核心基因GATA12通过抑制木质素合成促进细胞衰老；蓝色模块枢纽基因LOG1和IAA28分别参与细胞分裂素合成和生长素信号转导；红色模块的BXL2可能通过降解细胞壁促进脱落。

该研究构建了"碳水化合物稳态破坏-激素信号转导-转录因子级联-细胞壁降解"的协同调控模型。在分子层面，蔗糖匮乏通过抑制生长素信号和激活ABA/乙烯通路提升脱落区敏感性；在代谢层面，淀粉降解和海藻糖合成维持能量供应；在转录层面，NAC、WRKY等转录因子整合多信号通路，最终通过PME、PG等细胞壁修饰酶实现器官分离。这些发现不仅填补了木本坚果类作物脱落机制的理论空白，其鉴定的关键基因如TPSs、CYP734A1等更为分子育种提供了重要靶点。未来研究可聚焦于激素-糖信号交叉调控机制，以及关键转录因子在脱落过程中的时空特异性功能解析。