冷胁迫诱导的(Z)-3-己烯醇和百里香酚通过激活Ca2+信号通路增强茶树抗寒性

这篇研究揭示了茶树在冷胁迫下释放的挥发性有机物(VOCs)中，(Z)-3-己烯醇和百里香酚通过激活胞质钙信号([Ca2+]cyt)，上调冷响应基因(CsICE1/CBFs)和抗氧化酶(SOD/POD)活性，从而增强抗寒性的分子机制。研究创新性地建立了基于Fluo-8染料的茶树原生质体钙检测系统，发现钙依赖性蛋白激酶CsCDPK4是VOC信号传导的关键介质，为作物抗逆育种提供了新策略。

　　

冷胁迫诱导的挥发性有机物与钙信号协同机制

1 引言

冷胁迫是影响植物生长发育的主要环境因素之一。茶树等植物通过激活ICE-CBF调控模块和抗氧化酶系统(SOD/POD)应对低温伤害。近年研究发现，冷胁迫会诱导植物释放特定挥发性有机物(VOCs)，但其功能成分和作用机制尚不明确。钙信号([Ca²⁺]_cyt)作为重要的第二信使，可能参与VOC介导的抗寒过程，但具体机制仍有待解析。

2 结果

2.1 钙信号是VOC诱导抗寒性的必要条件

通过GC-MS分析发现冷胁迫茶树释放19种显著增加的VOCs，其中混合VOCs处理能提高光系统II最大量子效率(Fv/Fm)和抗氧化酶活性。钙通道抑制剂LaCl₃和钙螯合剂EGTA可阻断这些保护效应，证实钙信号的枢纽作用。

2.2 茶树原生质体钙检测系统的建立

创新性采用Fluo-8/AM荧光染料，在非转基因茶树中实现[Ca²⁺]_cyt实时监测。5μM Fluo-8在激光共聚焦和微孔板检测中均能准确捕捉冷、盐和渗透胁迫引起的钙瞬变，且NaCl引发的信号强度显著高于等渗山梨醇。

2.3 功能性VOCs的筛选

从19种冷诱导VOCs中筛选出4种能激活钙信号的化合物：(E)-2-己烯醛、(Z)-3-己烯醇、百里香酚和α-法尼烯。其中(Z)-3-己烯醇（10分钟达峰）和百里香酚（30分钟达峰）诱导的钙振荡最显著，而1-己醇和乙酸己酯无此效应。

2.4 钙响应性VOCs的抗寒功能验证

0.01μM (Z)-3-己烯醇和百里香酚处理使茶树在-5°C下的Fv/Fm值提高35%，SOD和POD活性提升2-3倍，同时上调CsICE1、CsCBF1/2等冷响应基因表达。这些效应在钙抑制剂预处理后显著减弱。

2.5 CsCDPK4的核心调控作用

转录组分析发现CsCDPK4是唯一受VOCs和冷胁迫共同诱导的钙依赖性蛋白激酶基因。反义寡核苷酸沉默CsCDPK4后，(Z)-3-己烯醇和百里香酚的促抗寒效应被完全抑制，证实其作为钙信号解码器的关键地位。

3 讨论

该研究首次阐明：(1)茶树通过释放(Z)-3-己烯醇和百里香酚等VOCs实现自体抗寒预警；(2)这些VOCs通过激活[Ca²⁺]_cyt-CsCDPK4信号轴，协同调控ICE-CBF通路和抗氧化系统；(3)建立的Fluo-8检测系统为难以转基因作物研究提供了新工具。值得注意的是，部分VOCs如1-己醇虽不能激活钙信号但仍具抗寒功能，提示存在其他平行机制。

4 材料方法

采用'舒茶早'茶树品种，通过SPME-GC/MS定量VOCs，优化原生质体制备方案（6小时酶解，Snailase+Cellulase R10组合）。钙成像使用Leica DMi8共聚焦显微镜，基因沉默采用40μM asODNs渗透法。所有数据经双因素ANOVA检验，p<0.05为显著。

这项研究不仅解析了植物VOCs的生态适应意义，更为设计基于化学信号-钙信号耦合的作物抗寒技术提供了理论依据。未来可进一步探索CsCDPK4下游磷酸化网络及VOCs受体识别机制。