整合转录组与蛋白质组解析玛咖(Lepidium meyenii Walp.)响应UV-B辐射的分子机制及谷胱甘肽代谢关键作用

本研究针对高原药用植物玛咖应对UV-B辐射的分子机制尚不明确的问题，通过整合转录组(RNA-Seq)和蛋白质组(TMT)技术，系统分析了玛咖叶片在UV-B辐射下基因和蛋白表达谱的动态变化。研究发现UV-B辐射诱导7255个差异表达基因(DEGs)和257个差异表达蛋白(DEPs)，显著激活"谷胱甘肽代谢"通路(GSH metabolism)，qPCR验证7个GST基因显著上调，GSH含量测定和BSO抑制实验证实该通路在UV-B响应中的核心作用。研究为解析高原植物UV-B适应机制提供了重要分子依据。

　　

在海拔3500-5000米的安第斯山脉高原，一种名为玛咖(Lepidium meyenii Walp.)的十字花科药用植物顽强生长，面对强烈的紫外线辐射(UV-B)、低温和强风等极端环境压力。这种被称为"秘鲁人参"的植物因其块根具有显著的营养和药用价值，已成为全球追捧的保健食品原料。然而，随着臭氧层变薄导致地表UV-B辐射增强，理解植物尤其是具有重要经济价值的药用植物如何应对UV-B胁迫，成为植物抗逆研究的关键科学问题。

UV-B辐射(280-315 nm)虽仅占太阳总能量的不足0.5%，却对植物生长发育产生深远影响。它能直接损伤DNA、蛋白质和脂质等生物大分子，同时诱导活性氧(ROS)爆发，引发氧化应激。植物进化出复杂响应机制，包括形态调整(如减少叶面积、增加叶片厚度)、生理变化(增强抗氧化能力)以及分子层面的调控(如UV抗性位点8(UVR8)光受体介导的信号通路)。尽管模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)的UV-B响应机制已有较多研究，但药用植物特别是高原特有物种的适应策略仍知之甚少。

来自中国的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表的研究，首次采用整合组学方法揭示玛咖响应UV-B辐射的分子机制。研究以"乌蒙"品种玛咖幼苗为材料，设置0、12、24和36小时UV-B辐射处理(5 μmol m^-2
s^-1
)，通过Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，结合TMT标记的定量蛋白质组学分析，系统鉴定了差异表达基因和蛋白。关键实验技术包括：RNA-Seq转录组测序与de novo组装、TMT定量蛋白质组学、qPCR验证、GSH含量测定以及BSO抑制剂处理实验。

研究首先观察到UV-B辐射导致玛咖幼苗叶片明显萎黄，生理指标显示丙二醛(MDA)含量显著增加，总抗氧化能力和类黄酮含量提升超过2倍，可溶性蔗糖含量明显升高。转录组分析获得63,102个非冗余unigenes，鉴定出7,255个DEGs，其中2,667个基因在三个时间点共同差异表达。STEM时序分析将这些基因分为10种表达模式，显示大部分代谢相关基因在UV-B处理12小时内迅速下调。

GO和KEGG富集分析揭示"氧化还原过程"、"植物型细胞壁组织"等生物过程显著富集，代谢通路中"光合作用-天线蛋白"、"碳代谢"等能量相关通路显著改变。值得注意的是，"谷胱甘肽代谢"通路在蛋白质组层面显著富集，PPI网络分析确认8个谷胱甘肽S-转移酶(GST)家族蛋白构成关键互作模块。

qPCR验证显示，GSTL1、GSTU1等7个GST基因转录水平显著上调20倍以上。GSH含量测定发现UV-B处理使总GSH、还原型GSH和氧化型GSH(GSSG)显著增加，GSH/GSSG比值在24小时达到峰值。使用GSH合成抑制剂BSO处理后，UV-B诱导的GSH积累被显著抑制，证实该代谢通路的核心作用。

研究提出玛咖响应UV-B辐射的协同调控网络：UV-B通过破坏叶绿体和线粒体功能，诱导ROS爆发和Ca²⁺
内流，激活钙依赖蛋白激酶(CDPK)和促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号级联；同时UVR8-COP1-SPA1复合物调控HY5和MYB转录因子，进而调控下游靶基因表达。特别值得注意的是谷胱甘肽代谢通路的显著激活，通过增强GST活性和GSH周转，有效缓解氧化损伤。

这项研究首次在组学层面系统解析了玛咖适应UV-B辐射的分子机制，发现"谷胱甘肽代谢"通路的核心调控作用，为理解高原植物环境适应策略提供了新视角。研究成果不仅对玛咖抗逆品种选育具有指导价值，也为其他作物的UV-B抗性改良提供了候选基因和通路参考。该整合组学分析策略为植物非生物胁迫响应研究提供了方法学示范。