水稻rel1-D突变体通过黄酮代谢通路调控耐热性的整合转录组与代谢组分析

本研究针对水稻高温胁迫耐受机制，通过整合转录组学和代谢组学技术，揭示了rel1-D突变体中黄酮类代谢物与关键基因的调控网络。研究发现OsPAL、OsCHS、OsF3H等基因显著上调，促进黄酮类化合物积累，从而增强水稻耐热性。该研究为培育抗逆水稻品种提供了新靶点，发表于《BMC Genomics》。

　　

在全球气候变暖背景下，高温胁迫已成为威胁水稻生产的重要因素。当气温超过38°C时，水稻产量和品质显著下降，这给粮食安全带来严峻挑战。植物进化出多种应对环境胁迫的机制，其中黄酮类化合物(flavonoids)作为重要的次生代谢产物，在抗氧化和应激防御中扮演关键角色。然而，水稻中黄酮生物合成途径的调控机制仍不明确，特别是其与耐热性的关系亟待阐明。

由Xiaojie Wu和Lingfang Yang等学者在《BMC Genomics》发表的研究，以具有耐旱特性的水稻rel1-D突变体为材料，揭示了黄酮代谢通路在高温胁迫响应中的核心作用。研究人员发现，在42°C高温处理48小时后，野生型ZH11全部死亡，而50%的rel1-D突变体能够存活。这一现象引发了对潜在分子机制的深入探索。

研究采用多组学整合分析策略，通过比较转录组和代谢组数据，构建了基因-代谢物-表型的调控网络。实验样本来自中国广州稻田种植的ZH11野生型和rel1-D突变体，在分蘖期叶片取样进行分析。关键技术包括Illumina NovaSeq 6000转录组测序、LC-MS代谢组检测、NBT/TAB组织染色以及qRT-PCR验证等。

Phenotype analysis of heat stress in rice seedlings

研究发现rel1-D突变体表现出独特的形态特征，包括叶片卷曲、株高降低和分蘖数减少。高温处理后，突变体叶片中H₂O₂、脯氨酸(PRO)和脂氧合酶(LOX)水平显著升高，NBT染色显示其抗氧化能力增强，TAB染色证实细胞死亡率低于野生型。这些结果表明rel1-D通过激活抗氧化系统增强耐热性。

Metabolome analysis

代谢组分析鉴定出793种代谢物，其中126种存在差异积累(DAMs)。黄酮类占差异代谢物的47.65%，包括黄烷酮、二氢黄酮醇等亚类。KEGG富集显示苯丙烷和黄酮生物合成通路显著激活，暗示这些代谢物在耐热性中的核心作用。

Variations in gene expression between two materials

转录组测序发现1，184个差异表达基因(DEGs)，其中21个与黄酮合成相关。OsPAL、Os4CL、OsCHS等结构基因显著上调，导致黄酮前体p-香豆酰-CoA供应增加。qRT-PCR验证了RNA-seq数据的可靠性，确认了关键基因的表达模式。

DEGs and DAMs in the biosynthesis of flavonoids

深入分析发现，黄酮合成通路中的OsCHI基因表达上调促使柚皮素(naringenin)积累，而OsF3H和OsFLS的高表达促进下游槲皮素(quercetin)、山奈酚(kaempferol)等衍生物合成。AlphaFold预测显示转录因子OsHLH、OsMPS和OsCDC20.2存在蛋白互作，这些因子可能通过结合MYB、bHLH等顺式元件调控黄酮通路基因。

讨论与结论

该研究首次系统阐明了rel1-D突变体通过调控黄酮代谢增强耐热性的分子机制。关键发现包括：

1. 1.

   REL1通过上调OsPAL、OsCHS等基因表达，促进黄酮类物质积累，这些化合物作为抗氧化剂清除ROS，减轻高温胁迫损伤；

2. 2.

   转录因子网络(如OsMYB、OsHLH)参与黄酮合成的精细调控；

3. 3.

   黄酮代谢与叶片形态建成存在协同调控关系。

这项研究不仅填补了单子叶植物黄酮合成通路的认知空白，更重要的是为分子设计育种提供了新思路。通过靶向调控REL1及其下游基因，可培育兼具高产和抗逆性的水稻新品种。此外，黄酮类物质对人类健康的潜在益处，也使该研究在功能性稻米开发方面具有重要价值。未来研究可进一步解析REL1蛋白的精确作用机制，并将发现应用于其他作物的抗逆改良。