多年生小麦根际微环境的代谢组学解析：揭示作物抗逆性与多年生性状的分子基础

本研究针对多年生小麦（NPGs）根际微环境代谢特征不明的问题，采用非靶向代谢组学技术，系统分析了4个NPGs品系（235a/280b/11955/OK72）在1-4年生长期的根-根际代谢谱。研究发现NPGs根系早期即分泌谷胱甘肽（glutathione）、血清素（serotonin）等防御分子，并通过α-亚麻酸代谢途径（α-linoleic acid pathway）产生OPDA等抗逆信号物质。OK72品系表现出与亲本Thinopyrum intermedium相似的代谢特征，为多年生小麦育种提供了关键靶点。该成果发表于《BMC Plant Biology》，为解析作物多年生性状的分子机制提供了新视角。

　　

在可持续农业发展的背景下，多年生谷物因其减少耕作、增强土壤固碳等生态优势备受关注。然而，多年生小麦（Perennial grain）的推广面临关键瓶颈——其产量仅为普通小麦的四分之一，且维持多年生长的分子机制尚不明确。更令人困惑的是，尽管多年生小麦的根系能持续发育并与微生物形成"全息生物体（holobiont）"，但根际微环境的化学信号动态仍属未知。这些知识缺口严重制约了高产多年生小麦品种的选育进程。

意大利帕尔马大学（University of Parma）的研究团队在《BMC Plant Biology》发表了一项突破性研究。他们首次采用非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）技术，对4个新型多年生小麦（NPGs）品系进行了为期4年的根-根际代谢组追踪。通过与一年生硬粒小麦（Triticum durum cv Ardente）和11年生亲本Thinopyrum intermedium（Tpi）的比较，揭示了多年生小麦独特的代谢防御网络及其与微生物互作的分子基础。

研究团队运用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UHPLC/QTOF-MS）分析了根与根际土壤的2527种代谢物，通过主成分分析（PCA）和差异丰度代谢物（DAMs）筛选解析时空动态。样本来自意大利中部Montelibretti实验农场，包含1年生和4年生NPGs及对照组的生物学重复。

根际与根系代谢组的时空分化
PCA分析显示54.8%的变异源于根与根际的代谢差异（PC1），而生长年限（PC2）仅解释8.7%的变异。值得注意的是，一年生硬粒小麦与1年生NPGs的根系代谢组显著分离（616个DAMs），但根际差异较小（15个DAMs）。到第4年，NPGs与Tpi在根（184 DAMs）和根际（138 DAMs）均呈现明显分化，表明多年生性状需要时间积累。

防御代谢网络的早期建立
1年生NPGs根系富含丁香酸（syringic acid）、假尿苷（pseudouridine）等氮代谢调节剂，以及乳糖酯（lactones）和异黄酮（isoflavonoids）等根系构型调控物。特别在OK72品系中，α-亚麻酸代谢产物HpOTrE和OPDA（jasmonic acid前体）显著富集，这些分子已知能诱导系统抗性（ISR）并防御病原体。

OK72品系的多年生特质
第4年时，OK72的根际代谢组与Tpi最为接近，均富含嘌呤核苷（purine nucleosides）和二氮杂萘（diazanaphthalenes）。该品系持续高表达谷胱甘肽（促进侧根发育）和反式阿魏酸（trans-Ferulic acid，增强抗氧化），同时抑制侧根抑制因子kaempferol-glucosyl-glucosyl-glucoside的积累。

这项研究首次绘制了多年生小麦根际代谢组的动态图谱，揭示OK72品系通过整合防御代谢（如α-亚麻酸途径）与发育调控（如谷胱甘肽/血清素通路），形成了独特的多年生适应策略。这些发现为分子标记辅助育种提供了关键靶点，并为设计"代谢组驱动"的可持续农业系统奠定了理论基础。尤其值得注意的是，研究证实多年生性状的代谢特征在种植首年即可显现，这极大加速了高产多年生小麦的选育进程。