玉米镉胁迫耐受性杂种优势的多组学整合分析：苯丙烷生物合成与淀粉/蔗糖代谢的关键作用

为解决玉米镉(Cd)污染抗性机制不明及杂种优势利用不足的问题，研究人员通过整合生理、转录组和代谢组分析，揭示了杂交种郑单958(ZD958)在Cd胁迫下通过苯丙烷生物合成和淀粉/蔗糖代谢通路实现杂种优势的分子机制，为抗Cd育种提供新靶点。

　　

随着工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染已成为威胁全球粮食安全的严峻问题。其中，镉(Cd)因其高毒性和易积累特性，对玉米这一重要粮食作物造成严重危害。据统计，我国受Cd污染的耕地面积已超过2万平方公里，每年导致粮食减产超千万吨。Cd不仅抑制玉米生长，还会通过食物链危害人类健康。面对这一挑战，培育抗Cd玉米品种成为当务之急。然而，关于玉米Cd耐受性的杂种优势机制仍知之甚少。

针对这一科学问题，河南农业大学的研究人员以我国主栽杂交种郑单958(ZD958)及其亲本为材料，通过整合生理学、转录组学和代谢组学分析，系统揭示了玉米Cd耐受性杂种优势的分子机制。相关研究成果发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上。

研究采用多组学联用技术：通过生理指标测定评估形态和抗氧化酶活性；利用RNA-seq鉴定差异表达基因(DEGs)并进行加权基因共表达网络分析(WGCNA)；结合LC-MS代谢组学分析代谢物变化；重点解析了非加性表达(NAE)基因和等位基因特异性表达(ASE)基因的调控模式。

【研究结果】

1. 形态与生理特征：ZD958在株高(PH)、根鲜重(FRW)等性状上表现出2.73%-25.90%的中亲优势(MPH)，CAT活性显著高于亲本。
2. 转录组分析：鉴定到904个Cd胁迫特异DEGs，WGCNA发现两个关键模块与苯丙烷生物合成和淀粉代谢相关。
3. 代谢组特征：902种代谢物中，ZD958特异性富集于苯丙烷生物合成、甘油磷脂代谢等通路。
4. 分子机制：发现1个Cd胁迫下特异下调的NAE基因和12个遗传超显性ASE基因。

研究结论表明，ZD958通过协同调控苯丙烷生物合成和淀粉/蔗糖代谢通路，激活抗氧化防御系统，从而表现出显著的Cd耐受性杂种优势。该研究首次在玉米中建立了Cd响应基因-代谢物网络，为分子设计育种提供了重要理论依据。特别值得注意的是，研究发现的苯丙烷代谢通路可能通过增强细胞壁木质化来限制Cd吸收，这一发现为抗Cd育种提供了新思路。

这项工作的创新性在于：首次在玉米中系统解析了Cd耐受性杂种优势的多组学基础；明确了苯丙烷代谢在杂交种Cd防御中的核心地位；鉴定的ASE基因为分子标记辅助选择提供了候选靶点。研究成果对保障重金属污染区粮食安全生产具有重要实践价值，也为其他作物的抗逆育种提供了可借鉴的研究范式。