HSF-HSP-GST协同网络是生姜适应高温和强光双重胁迫的基础：来自多组学整合的见解

《Industrial Crops and Products》：HSF-HSP-GST coordinated network underlies ginger's adaptation to combined high-temperature and strong-light stress: Insights from multi-omics integration

生姜高温强光胁迫下激素代谢与转录调控机制研究。通过转录组与代谢组联合分析，发现ABA、IAA和BL含量显著上升，JA含量下降，揭示ABA/BR信号通路与IAA/SA信号通路协同调控胁迫响应。WGCNA共表达网络鉴定出PP2C、BES1、PIF4等关键转录因子，构建了HSF-HSP-GST协同抗氧化防御体系，并发现MYB73、GLK1、NAC74等转录因子参与激素信号交叉调控。定量RT-PCR验证了核心基因表达模式。该研究为生姜耐热品种选育提供了分子靶点。

　　### 一、研究背景与意义

生姜（*Zingiber officinale* Roscoe）作为一种重要的药用和食用植物，在中国及东亚地区已有数百年的种植历史。其独特的辛辣味道和丰富的生物活性成分，使其在食品、医药和工业领域占据重要地位，成为全球重要的经济作物之一。近年来，随着农业技术的不断进步，如脱毒技术、品种改良和栽培方法的优化，中国的生姜产量显著提升，使其成为全球生姜出口的重要国家之一。然而，生姜的生长过程对气候条件极为敏感，尤其是高温和强光（HTSL）环境，这给其种植带来了严峻挑战。

在夏季，生姜的生长高峰期通常从7月到9月，这一时期气候温暖、湿润，为生姜的正常生长提供了理想的环境。然而，随着全球气候变暖的加剧，夏季极端高温事件的频率和强度显著上升，导致生姜种植区域出现持续高温和强烈光照的环境。这种条件不仅对生姜的生长发育构成威胁，还对其产量和品质产生负面影响。研究表明，高温和强光会降低生姜叶片的光合作用效率，直接暴露于强光下可能导致光抑制现象，如叶片变黄、卷曲或灼伤。同时，高温会加速土壤水分的蒸发，加剧干旱胁迫，从而影响生姜的根和茎的发育，导致生姜块茎品质下降，表现为纤维增多和辛辣度增加。因此，HTSL胁迫已成为制约生姜生产的重要环境因素，亟需深入研究其生理和分子响应机制，以寻找有效的应对策略。

### 二、植物激素在植物胁迫响应中的作用

植物激素在植物对环境胁迫的适应中扮演着至关重要的角色。它们不仅调控植物的生长发育，还在应激反应中发挥关键作用。例如，茉莉酸（JA）是一种在多种非生物胁迫中起正向调控作用的植物激素，如重金属、高温和盐胁迫。在HTSL条件下，拟南芥（*Arabidopsis*）表现出PSII活性降低和存活率下降，同时JA、JA-Ile和脱落酸（ABA）的含量显著增加，并伴随JA合成相关基因的上调表达。此外，研究还发现，在强光胁迫下，拟南芥中约有12%的累积转录本与JA有关，表明JA在植物应对HTSL胁迫中具有重要作用。

ABA作为一种重要的植物激素，在植物应对干旱、盐分和高温胁迫中起着关键作用。在高温胁迫下，植物细胞内会迅速积累活性氧（ROS），从而引发细胞凋亡。ABA能够通过增加H?O?水平来增强抗氧化能力，并通过调控HSF（热休克因子）和HSP（热休克蛋白）来提高植物的耐热性。此外，一些研究指出，外源ABA抑制剂的应用会降低植物的耐热性，而外源ABA的施用则有助于缓解高温损伤并提高特定基因的表达水平。例如，在高羊茅中，外源ABA的应用显著提高了*FaHSF2c*基因的表达水平。在拟南芥中，过表达*TaHSF6f*基因可提高ABA含量并增强耐热性。这些研究都表明，ABA能够诱导相关HSF和HSP基因的表达，从而帮助植物应对高温和强光胁迫。

### 三、HTSL胁迫对生姜植物激素水平的影响

本研究通过对生姜进行HTSL胁迫处理，发现其植物激素水平发生了显著变化。在HTSL胁迫4天后，ABA的含量从对照组的10.93 ± 4.25 ng·g?1 FW显著增加至955.03 ± 202.81 ng·g?1 FW，增长了约94.5倍。这种ABA的显著积累可能与生姜叶片的萎蔫现象相关，表明ABA在应对HTSL胁迫中起着关键作用。同时，BR（油菜素内酯）的含量也显著上升，从对照组的23.02 ± 6.69 ng·g?1 FW增加到196.15 ± 44.32 ng·g?1 FW，增长了约8.5倍。这种BR的增加可能与植物对高温和强光的适应有关。

相比之下，JA的含量显著下降，从初始的45.42 ± 2.65 ng·g?1 FW降至第四天的28.98 ± 0.98 ng·g?1 FW，下降了约1.58倍。同时，JA的前体cis-OPDA的含量也持续减少，第四天降至92.19 ± 2.01 ng·g?1 FW，仅为初始值的约1/4。这些变化表明，在HTSL胁迫下，JA及其前体的合成和信号传导可能受到抑制，从而影响植物对高温和强光的适应能力。

此外，IAA（生长素）在HTSL胁迫的第三和第四天显著增加，分别达到134.41 ± 5.37 ng·g?1 FW和120.18 ± 7.02 ng·g?1 FW。这种IAA的增加可能与植物在应对高温和强光胁迫时的生长调控有关。然而，与IAA的增加相反，大多数生长素相关基因的表达水平下降，如*AUX/IAA*、*ARF*和*TIR1*等。这可能意味着生长素信号传导在HTSL胁迫下受到抑制，从而影响植物的正常生长。

### 四、植物激素信号传导途径的变化

在HTSL胁迫下，生姜的植物激素信号传导途径发生了显著变化。例如，在生长素信号传导途径中，七种*AUX/IAA*基因、一种*SAUR*基因、四种*ARF*基因、两种*AUX1*基因、四种*GH3*基因和一种*TIR1*基因的表达水平显著上调，而大多数*AUX/IAA*、*SAUR*、*ARF*和*TIR1*基因的表达水平则下调。这种复杂的调控模式可能反映了植物在应对高温和强光胁迫时对生长素信号传导的重新配置。

在细胞分裂素信号传导途径中，三种*CRE1*基因、三种*AHP*基因、两种*A-ARR*基因和五种*B-ARR*基因的表达水平上调，而三种*AHP*、四种*CRE1*、11种*A-ARR*和两种*B-ARR*基因的表达水平则下调。这表明，细胞分裂素信号传导途径在HTSL胁迫下也经历了复杂的调控。

在茉莉酸信号传导途径中，一种*JAR1*基因、*COI1*基因、九种*JAZ*基因和两种*MYC*基因的表达水平上调，而三种*JAR1*和五种*JAZ*基因的表达水平则下调。这种变化可能反映了茉莉酸信号传导在HTSL胁迫下的抑制状态。

在油菜素内酯信号传导途径中，两种*BIN2*基因、两种*BRI1*基因、两种*BSK*基因、三种*BZR1/2*基因和六种*TCH4*基因的表达水平上调，而一种*BRI1*、两种*BSK*、两种*BZR1/2*和一种*TCH4*基因的表达水平则下调。这表明，油菜素内酯信号传导在HTSL胁迫下也发生了显著变化。

在脱落酸信号传导途径中，九种*ABF*基因、13种*PP2C*基因、五种*PYL*基因和五种*SNRK2*基因的表达水平上调，而两种*PYL*和一种*ABF*基因的表达水平则下调。这些基因的表达变化表明，脱落酸信号传导在HTSL胁迫下被激活，以帮助植物适应高温和强光环境。

### 五、生姜对HTSL胁迫的生理响应

HTSL胁迫对生姜的生理特性产生了显著影响。在HTSL胁迫下，生姜的叶片逐渐从绿色、扁平状态转变为黄色、卷曲和干燥状态。整个植株表现出明显的萎蔫现象，叶片从绿色和展开状态转变为枯萎或脱落状态。这种变化与之前的研究结果一致，即在持续胁迫下，生姜的叶绿素指数逐渐下降。对照组的SPAD值约为30，而胁迫组的SPAD值在第四天下降至约16，仅为对照组的一半，这表明叶绿素降解加速，可能与叶绿体功能受损有关。

在根茎部分，HTSL胁迫导致生姜块茎的光泽度下降，轻微脱水，并且地上茎的基部出现枯萎现象，同时叶片出现黄化。这些形态学变化可能使生姜更容易发生倒伏现象，影响其产量和品质。此外，HTSL胁迫还导致生姜叶片中MDA（丙二醛）含量的显著增加，这表明植物细胞膜受到了氧化损伤。MDA是脂质过氧化的产物，其含量的增加通常被视为植物遭受氧化胁迫的指标。

### 六、植物激素与抗氧化系统的协同作用

在HTSL胁迫下，植物激素与抗氧化系统之间存在复杂的协同作用。ABA不仅通过增加H?O?水平来增强抗氧化能力，还能通过调控HSF和HSP基因的表达来提高植物的耐热性。在拟南芥中，ABA的增加与HSF和HSP的上调表达密切相关。此外，研究发现，ABA的增加可能与BR的合成有关，因为BR的合成基因如*DWF4*和*CYP90A1*在HTSL胁迫下显著上调，这可能促进了BR的积累，从而增强了植物的耐热性。

同时，HTSL胁迫还显著影响了茉莉酸和其前体cis-OPDA的含量。茉莉酸的含量下降，而其前体cis-OPDA的含量也持续减少，这可能表明茉莉酸信号传导在HTSL胁迫下受到抑制。然而，一些研究指出，茉莉酸的减少可能是由于COI1介导的茉莉酸消耗，这可能与植物在高温和强光条件下的适应策略有关。

### 七、植物激素与抗氧化系统之间的相互作用

在HTSL胁迫下，植物激素与抗氧化系统之间的相互作用尤为显著。ABA的增加不仅促进了抗氧化能力的提升，还可能通过调控HSF和HSP基因的表达来增强植物的耐热性。此外，一些研究表明，ABA的增加可能与BR的合成有关，因为BR的合成基因如*DWF4*和*CYP90A1*在HTSL胁迫下显著上调，这可能促进了BR的积累，从而增强了植物的耐热性。

同时，HTSL胁迫还显著影响了茉莉酸和其前体cis-OPDA的含量。茉莉酸的含量下降，而其前体cis-OPDA的含量也持续减少，这可能表明茉莉酸信号传导在HTSL胁迫下受到抑制。然而，一些研究指出，茉莉酸的减少可能是由于COI1介导的茉莉酸消耗，这可能与植物在高温和强光条件下的适应策略有关。

### 八、抗氧化系统的调控机制

在HTSL胁迫下，生姜的抗氧化系统表现出显著的调控机制。首先，研究发现，生姜中一些与抗氧化相关的基因如*GGCT*、*OPLAH*、*PepA*、*PepN*、*GGT*、*PGD*、*DHAR*、*ICD*、*GST*和*GR*的表达水平显著上调。这些基因的上调可能反映了植物在应对HTSL胁迫时启动了抗氧化防御机制，以清除过量的ROS并减轻脂质过氧化损伤。

此外，研究还发现，一些与抗氧化相关的基因如*GST*在HTSL胁迫下表现出显著的瞬时上调，其表达水平在胁迫后的第二天达到峰值，随后逐渐下降。这种动态调控模式可能表明，植物在应对HTSL胁迫时，通过激活GST等基因来快速清除ROS，从而保护细胞膜免受损伤。然而，在胁迫的后期，这些基因的表达水平可能逐渐下降，以防止抗氧化系统过度消耗，从而维持植物的生理平衡。

### 九、调控网络的构建与关键基因的识别

为了进一步揭示生姜在HTSL胁迫下的调控机制，本研究构建了加权基因共表达网络分析（WGCNA）模型。通过分析不同基因模块与胁迫时间的关系，研究发现三个模块与HTSL胁迫密切相关：黑色模块（r=0.96, p=3e-09）、蓝绿色模块（r=0.97, p=8e-10）和蓝色模块（r=0.96, p=2e-08）。这些模块的基因表达模式与HTSL胁迫的时间变化密切相关，表明它们在植物适应高温和强光胁迫中起着重要作用。

在黑色模块中，基因表达水平随胁迫时间的延长而逐渐下降，而蓝绿色模块的基因表达水平则逐渐上升。这些变化可能反映了植物在不同阶段对HTSL胁迫的适应策略。例如，蓝绿色模块中的一些基因可能与植物在长期胁迫下的抗氧化和激素调控有关。

### 十、未来研究方向与应用前景

本研究的发现不仅有助于深入理解生姜在HTSL胁迫下的生理和分子响应机制，还为培育具有气候适应性的生姜品种提供了重要的分子靶点。例如，ABA、BL和PP2C基因的上调可能为提高生姜的耐热性提供了新的思路。此外，GST和HSP基因的协同表达模式可能为开发有效的抗氧化策略提供了依据。

未来的研究应重点关注这些候选基因及其调控网络的分子机制，以进一步揭示生姜在HTSL胁迫下的适应策略。此外，还可以探索这些基因在不同环境条件下的表达模式，以及它们在不同植物品种中的功能差异。通过这些研究，可以为生姜的抗逆性育种提供理论支持和实践指导，从而提高生姜在极端气候条件下的产量和品质。