整合转录组与代谢组揭示高粱响应镉胁迫的基因表达谱特征及代谢物变化规律

本刊推荐：本研究通过整合转录组（RNA-Seq）和代谢组（UPLC-MS/MS）分析，系统揭示了糯高粱“红缨子”响应镉（Cd）胁迫的分子调控网络与代谢重塑机制。研究发现2299个差异表达基因（DEGs）和449种差异代谢物（VIP>1, p<0.05），其中AP2/ERF、bHLH等转录因子家族和氨基酸代谢通路显著富集。通过WGCNA鉴定出12个与氨基酸代谢密切相关的基因模块，qRT-PCR验证证实数据可靠性。该研究为解析高粱镉胁迫应答的遗传机制和代谢基础提供了新见解。

　　

引言

高粱（Sorghum bicolor [L.] Moench）作为全球重要的粮食作物和工业原料，其种植环境面临镉等重金属污染威胁。镉作为土壤中最严重的污染物之一，可通过植物吸收进入食物链，威胁食品安全并增加人类罹患肺癌、子宫内膜癌等疾病风险。虽然前人针对甜高粱镉胁迫已有较多研究，但糯高粱在镉胁迫下的转录调控机制和代谢流变化仍待深入解析。

材料与方法

研究以酿酒专用糯高粱品种“红缨子”为材料，采用200 μM醋酸镉处理水培幼苗，分别于对照（CK）及处理后3h、6h、9h、12h、24h、48h、72h共8个时间点取样。每个样本设置3个生物学重复，取样部位为除根系外的全部水培苗组织。

转录组测序采用HiSeq 2500系统（PE150），原始数据经fastp软件质控后使用Hisat2比对至“红缨子”参考基因组，通过StringTie进行转录本组装，DEGseq筛选差异表达基因（|fold change|>2, q<0.05）。代谢组检测采用UPLC-MS/MS技术，正负离子模式扫描范围m/z 84-1250，通过XCMS进行峰提取与对齐，以VIP>1和p<0.05筛选差异代谢物。采用WGCNA R包（参数：power=17, minModuleSize=50）进行共表达网络分析，并使用qRT-PCR验证关键基因表达。

结果

转录组数据分析显示，每个样本平均获得7.32 Gb高质量清洁数据，Q30值达94.2%。差异基因分析发现CK vs TM9h组差异最显著（1410个DEGs），而CK vs TM3h组差异最小（171个）。所有样本共鉴定2299个DEGs，可划分为10个表达模式簇，其中簇4、5、8呈现显著表达趋势（p<0.05）。KEGG富集分析显示这些基因显著富集于代谢通路、花生四烯酸代谢、淀粉与蔗糖代谢等通路。鉴定到AP2/ERF、bHLH、MYB等重要转录因子家族成员。

代谢组检测共识别4656种代谢物，分为21大类，包括1158种氨基酸及其衍生物、686种有机酸、205种生物碱等。虽然不同样本间代谢物总量无显著差异，但筛选到449种差异代谢物，其中氨基酸及其衍生物达68种。聚类分析显示这些代谢物可划分为8个变化模式簇，簇1、2、7包含64.6%的差异代谢物。

通过WGCNA分析鉴定出12个与氨基酸含量密切相关的基因模块，其中turquoise模块（595个基因）与Pro-Tyr-Arg相关性达0.74，greenyellow模块（89个基因）与N-Phenylacetylphenylalanine相关性为0.76。表达热图显示SbiHYZv1_09G0000130.1在TM12h表达显著下调，而SbiHYZv1_02G0030190.1同期高表达。

qRT-PCR验证选取9个代表性基因，包括硫氧还蛋白结构域蛋白（SbiHYZv1_01G0008640.2）、HMA结构域蛋白（SbiHYZv1_01G0060320.1）等，结果显示其表达趋势与转录组数据高度一致（p<0.05）。

讨论

本研究首次系统揭示糯高粱响应镉胁迫的多组学调控机制。研究发现TM9h为镉应答关键时间节点，与前人报道的150 μM镉处理导致高粱根系生长异常现象相印证。差异表达基因中鉴定的AP2/ERF、bHLH等转录因子家族可能通过调控IRON-REGULATED TRANSPORTER1等靶基因参与镉吸收转运，与拟南芥NAC102通过WAKL11调控细胞壁果胶代谢的镉耐受机制形成补充。

代谢组变化特征表明氨基酸代谢在镉胁迫响应中起核心作用，这与Zhu等（2018）关于镉影响氨基酸代谢的研究结论一致。WGCNA鉴定的12个基因模块中，HMA结构域蛋白（重金属关联蛋白）和PPM型磷酸酶可能直接参与镉离子转运与信号转导，而硫氧还蛋白系统可能通过氧化还原调控介导应激响应。

结论

研究通过多组学整合分析阐明糯高粱响应镉胁迫的分子网络，发现2299个DEGs和449种差异代谢物，其中氨基酸代谢通路和AP2/ERF等转录因子起关键作用。WGCNA鉴定出12个与氨基酸代谢密切相关的基因模块，为解析高粱镉胁迫应答的遗传机制和代谢基础提供重要依据，对培育低镉累积高粱品种及保障食品安全具有实践意义。