低温胁迫下大麦(Hordeum vulgare L.)生理响应与广靶代谢组学的整合分析揭示其耐寒机制

本研究针对低温胁迫严重影响大麦产量与品质的关键问题，通过UPLC-MS/MS技术结合生理指标分析，系统解析了大麦叶片在4℃胁迫下0-48小时及恢复24小时的代谢网络变化。研究发现低温导致光合参数(Pn、Gs、Tr)显著下降，ROS含量升高，鉴定出800种代谢物中92-101种差异代谢物（如4-羟基苯乙酮、O-乙酰丝氨酸等），主要富集于甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢和亚油酸代谢通路。该研究为阐明大麦耐寒分子机制提供了新视角，并为耐寒品种选育奠定理论基础。

　　

低温环境是制约农作物生长的重要非生物胁迫因素，尤其对青藏高原广泛种植的裸大麦（青稞）造成严重减产。当温度骤降时，植物叶片萎蔫、光合系统受损、活性氧爆发等系列反应直接影响作物产量。尽管前人研究表明低温会诱导抗氧化酶活性和脯氨酸积累，但大麦如何通过代谢重编程应对低温胁迫的全局机制仍不明确。为此，甘肃农业大学与西藏农牧科学院的研究团队在《BMC Genomics》发表论文，首次整合生理学与广靶代谢组学技术，揭示了大麦耐寒代谢调控网络。

研究采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)技术，对4℃处理0/12/48小时及恢复24小时的大麦叶片进行代谢物检测，同步测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)等生理指标。通过主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)筛选差异代谢物，结合KEGG通路富集解析核心代谢途径。

低温胁迫显著抑制光合系统
数据显示，48小时低温处理使Pn、Gs、Tr分别下降73.24%、83.87%和85.78%，叶绿素含量(SPAD)降低36.10%。NBT和DAB染色证实活性氧(O₂^-和H₂O₂)显著积累，而24小时常温恢复后各指标明显回升。

代谢重编程特征解析
共鉴定800种代谢物，包括氨基酸衍生物、酚酸、黄酮类等。0h-vs-48h比较发现91种差异代谢物，其中芥子酰腐胺(Sinapoylputrescine)和4-羟基苯乙酮(4-Hydroxyacetophenone)显著上调，表没食子儿茶素没食子酸酯(Epigallocatechin-3-gallate)等黄酮类下调。KEGG分析显示差异代谢物主要富集于次级代谢物合成、ABC转运蛋白及苯丙烷代谢通路。

关键代谢通路激活
亚油酸代谢通路中α-亚麻酸(α-Linolenic Acid)、12,13-环氧亚油酸等代谢物显著变化，维持细胞膜流动性。缬氨酸/亮氨酸/异亮氨酸生物合成通路中，2-乙酰-2-羟基丁酸(2-Acetyl-2-Hydroxybutanoic Acid)含量激增，3-异丙基苹果酸(3-Isopropylmalic Acid)参与低温响应。

该研究揭示大麦通过协调抗氧化物质合成（如酚酸）、膜脂代谢重塑和支链氨基酸积累等策略应对低温胁迫。发现的芥子酰腐胺等特征代谢物可作为耐寒性标记物，为分子育种提供新靶点。研究不仅深化了对作物低温适应机制的理解，更为青藏高原青稞耐寒品种选育提供了理论依据与代谢资源库。未来需进一步验证这些代谢物在基因调控网络中的作用，通过遗传工程培育高耐寒大麦新品种。