多组学整合分析揭示二倍体与四倍体水稻昼夜碳水化合物代谢差异的分子机制

本研究通过整合转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析，系统揭示了二倍体(GFD-2X)与同源四倍体水稻(GFD-4X)在灌浆期昼夜节律下碳水化合物代谢的差异机制。研究发现染色体加倍导致四倍体水稻白天蔗糖分解减弱，夜间淀粉合成与分解增强，同时单糖磷酸化水平提升，这种代谢重编程优化了碳水化合物的分配利用，并通过增强糖酵解和TCA循环活性提高能量生产效率。该研究为理解多倍体作物的生长优势提供了新视角。

　　

在植物进化过程中，多倍化(polyploidy)通过基因组扩增带来基因冗余和互作关系的改变，赋予植物更强的环境适应力。四倍体水稻展现出叶片增宽、光合效率提升等典型多倍体特征，但其碳水化合物代谢的昼夜调控机制尚不明确。吉林农业大学农学院的研究团队在《Rice》发表重要成果，首次通过多组学整合揭示了二倍体与四倍体水稻在灌浆期昼夜交替中碳水化合物代谢的分子差异。

研究采用Illumina Novaseq 6000平台进行转录组测序，timsTOF Pro2质谱仪进行蛋白质组分析，UPLC-MS/MS系统开展代谢组检测。通过对自然光照下生长的水稻灌浆期旗叶（10 DAP）进行昼夜采样（14:00 vs 23:00），构建了包含2D（二倍体白天）、4D（四倍体白天）、2N（二倍体夜间）、4N（四倍体夜间）四个组别的多组学数据集。

形态与生理差异

四倍体GFD-4X表现出显著的生长优势：株高增加22.84%，旗叶宽度增加30.23%，千粒重提升48.86%。光合参数显示其净光合速率比二倍体高30.71%，但单株产量降低18.56%，暗示碳水化合物分配策略的改变。

转录组特征

昼夜比较发现四倍体特有代谢模式：

• 白天蔗糖分解相关基因OsCIN1（细胞壁转化酶）、OsFK1（果糖激酶）下调

• 夜间淀粉代谢基因OsSSI（淀粉合成酶）、OsISA3（脱支酶）显著上调

• 己糖激酶基因OsHXK8在夜间表达增强，促进单糖磷酸化

蛋白质组动态

关键代谢酶呈现剂量效应：

• 淀粉合成蛋白SSI（淀粉合成酶1）在4N组上调2.1倍

• 糖酵解限速酶HXK6（己糖激酶6）在昼夜均保持高表达

• 蔗糖合成酶SUS7在四倍体夜间显著下调

代谢物变化

四倍体表现出代谢流重定向：

• 白天蔗糖含量无显著差异，但夜间降低23%

• 尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-glucose)夜间积累量增加35%

• TCA循环中间物2-氧代戊二酸(2-oxoglutarate)消耗加速

多组学整合

通过九象限分析发现：

• 己糖激酶基因AGIS_Os01g008120与HXK2/HXK6蛋白表达正相关

• 蔗糖转运蛋白SWEET1a基因与蛋白呈现昼夜反向调控

• 淀粉代谢通路在KEGG富集分析中显著性最高（P<1×10^-5）

这项研究首次阐明染色体倍性改变通过三重调控机制影响水稻能量代谢：①白天抑制蔗糖分解促进同化物转运；②增强夜间淀粉周转提供持续碳源；③提升磷酸化效率优化能量分配。这些发现为多倍体作物育种提供了重要靶点，特别是揭示了四倍体水稻虽然生物量增大但产量降低的代谢基础——旺盛的呼吸消耗（通过增强的TCA循环）可能将更多光合产物用于营养生长而非籽粒充实。该研究建立的昼夜多组学分析框架，为解析复杂农艺性状的时空调控网络提供了方法论范例。