小黑麦根系耐碱性的基因型依赖性机制：基于转录组和代谢组解析的氨基酸、类黄酮及甜菜碱代谢网络

本研究针对碱性土壤严重制约小黑麦生产的农业难题，通过比较耐碱品种Grenado(GR)和敏感品种Mule3000(ML)的根系响应机制，整合转录组学和代谢组学分析，揭示了氨基酸代谢、类黄酮合成和甜菜碱生物合成途径在耐碱性中的关键作用。研究发现AT1-PIP2、RGI1等基因及苯并恶嗪酮、油菜素内酯代谢通路差异调控是品种耐碱性分化的核心因素，为耐碱小黑麦育种提供了重要靶点。

　　

随着全球土壤盐碱化加剧，pH>8.0的碱性土壤已成为制约作物生产的重要环境因素。小黑麦作为小麦与黑麦杂交培育的异源多倍体作物，虽具有一定抗逆性，但其在北方盐碱地的种植仍面临严峻挑战。传统研究多聚焦中性盐胁迫，而对碳酸盐/碳酸氢盐主导的碱性胁迫(pH>8.0)机制认识不足，特别是根系作为直接感受土壤环境的器官，其分子应答网络尚未系统解析。西北农林科技大学草种质资源与逆境生物学实验室的研究人员通过比较耐碱型波兰品种Grenado(GR)与敏感型中国品种Mule3000(ML)的根系响应差异，揭示了小黑麦耐碱性的分子机制，相关成果发表于《BMC Plant Biology》。

研究采用30 mM混合碱液(NaHCO₃:Na_{23=5:1,pH9.43)模拟田间胁迫条件，结合根系扫描仪量化形态参数，运用Illumina NovaSeq X Plus平台进行转录组测序，并采用UPLC-QTRAP-MS/MS系统开展广泛靶向代谢组分析。通过多组学整合解析了基因型依赖的耐碱调控网络。}

碱性胁迫下小黑麦根系构型重塑
胁迫处理三周后，两个品种均表现出根数、长度和生物量降低而平均直径增加的表型，但敏感品种ML的降幅显著大于GR（根干重下降49.4% vs 8.6%）。根系扫描显示GR能维持更多细根发育（直径<0.5 mm根段占比达68%），这种"细根策略"可能增强其在碱土中的适应性。

基因型特异性转录调控特征
转录组分析鉴定到17,739个差异基因(DEGs)，其中1,739个呈现基因型×处理互作效应。耐碱品种GR中，苯丙烷代谢通路(P_adj=3.2×10^-5)和油菜素内酯合成基因（如TRITD1Av1G136070）显著激活；敏感品种ML则主要富集到衰老相关液泡形成通路。值得注意的是，质膜H⁺-ATPase调控模块关键基因（TaSAUR215-R、SCaBP3-R等）在GR中呈现特异性上调。

代谢重编程决定耐碱性
代谢组检测到2,466种代谢物，166种存在基因型×处理互作效应。GR通过显著积累黄酮醇（如山奈酚-3-O-芸香糖苷，FC=4.2）和甜菜碱（如甜菜红素）维持氧化平衡，而ML的氨基酸代谢紊乱尤为突出，特别是甲硫氨酸含量下降37%。共表达网络分析揭示类黄酮合成核心酶FLS（黄酮醇合酶）与CYP75B1（类黄酮3'-单加氧酶）的协同调控是GR耐碱关键。

保守与特异的胁迫响应通路
研究首次报道甜菜碱生物合成作为小黑麦碱性胁迫的保守响应通路，39个DEGs涉及多巴胺转化关键酶DDC/DODA。互作分析发现SbAT1同源基因通过调控PIP2水通道影响活性氧稳态，这可能是作物耐碱的跨物种保守机制。

该研究系统绘制了小黑麦根系响应碱性胁迫的分子图谱，阐明氨基酸代谢稳态维持、类黄酮抗氧化系统激活以及质膜H⁺-ATPase活性调控构成耐碱性的三重保障机制。发现的AT1-PIP2-RGI1-SAUR215-SCaBP3调控模块为分子设计育种提供了明确靶标，而甜菜碱通路作为保守响应机制则为多作物耐碱改良提供了新思路。研究建立的"形态-转录-代谢"多维评价体系，为复杂逆境抗性育种研究提供了范式。