多组学解析光叶桑（Morus laevigata）果实脱落机制：激素调控与细胞壁代谢的关键作用

本研究通过整合转录组与代谢组分析，系统揭示了光叶桑幼果脱落过程中植物激素（如ABA和IAA）信号转导、细胞壁降解酶（如CEL和XTH）表达调控以及淀粉与蔗糖代谢通路的关键作用，为培育抗脱落桑树品种提供了重要理论依据。

　　

1 引言

光叶桑（Morus laevigata）作为一种具有高营养价值和药用价值的经济作物，其果实脱落现象严重影响了产量和经济效益。果实脱落是植物的一种生理过程，涉及专门化的脱落区（Abscission Zone, AZ）细胞层的分化与激活。本研究以两个脱落率差异显著的光叶桑品种（‘Peach Fairy’低脱落率和‘Pink Lady’高脱落率）为材料，通过形态学、转录组学和代谢组学分析，深入探讨了幼果脱落的分子机制。

2 材料与方法

实验材料采集自云南省桑树种质资源圃，在盛花期后15天采集了非脱落果实（PF）、非脱落（PL-N）和脱落（PL-A）果实的果梗。通过石蜡切片和扫描电镜（SEM）观察了AZ的显微结构，并利用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）进行了广泛靶向代谢组学和植物激素分析，同时采用Illumina RNA测序技术进行了转录组分析。生物信息学分析包括差异表达基因（DEGs）和差异积累代谢物（DAMs）的筛选、KEGG富集分析以及基因-代谢物网络构建。

3 结果

3.1 脱落区显微结构观察

脱落果实（PL-A）的果梗AZ表现出细胞排列紊乱、细胞间隙增大以及维管束坍塌等典型结构特征，而非脱落果实（PF）则细胞排列紧密、结构完整。扫描电镜进一步证实了PL-A组细胞壁破裂和部分分离的现象。

3.2 代谢组学分析

PLS-DA分析显示三组样本代谢谱明显分离。在PL-A与PF的比较中，共鉴定到948个DAMs，其中882个上调，65个下调。这些代谢物主要富集于氨基酸及其衍生物（16.7%）、黄酮类（13.5%）和有机酸（8.6%）等类别。KEGG通路分析显著富集于植物次生代谢物生物合成、氨基酸生物合成和丁酸代谢等途径。

3.3 激素代谢变化

植物激素分析表明，脱落酸（ABA）在PL-A组中显著积累，而生长素（IAA）和异戊烯腺苷（IPR）水平显著降低。网络分析显示IAA、玉米素和色氨酸处于网络中心位置，表明这些激素及其结合物（如IAA-Ala、IAA-Leu）在脱落过程中具有重要调控作用。

3.4 转录组学分析

转录组测序共识别到3,206个DEGs（PL-A vs PF），其中1,446个上调，1,760个下调。KEGG富集分析显示，DEGs显著富集于淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导等通路。基因-激素网络分析进一步证实ABA的核心调控地位，其与多个基因的相互作用揭示了激素信号在脱落过程中的协同调节效应。

3.5 激素与细胞壁相关基因表达

在PL-A组中，乙烯和ABA合成与信号转导相关基因（如NCED3、PP2C51）显著上调，而生长素相关基因（如IAA27、TIR1）下调。同时，细胞壁合成基因（如CESA1、TBL家族）表达下降，而细胞壁降解酶基因（如XTH33、CEL5、EXPA家族）表达上调，表明细胞壁重塑是脱落的关键环节。

3.6 淀粉与蔗糖代谢通路

淀粉和蔗糖代谢通路中的基因表达发生显著变化：β-淀粉酶（BAM）和β-葡萄糖苷酶等降解酶基因上调，促进淀粉和纤维素分解为麦芽糖和葡萄糖，为脱落过程提供能量；海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP）表达上调，可能参与应激响应和资源重分配。

3.7 q-PCR验证

选取PP2C51、NCED3、IAA27、TIR1、CESA1和XTH33等6个基因进行q-PCR验证，结果与转录组数据一致：ABA信号和细胞壁降解相关基因上调，而生长素信号和细胞壁合成相关基因下调，进一步证实了激素失衡和细胞壁降解在幼果脱落中的核心作用。

4 讨论

本研究发现，光叶桑幼果脱落受植物激素（特别是ABA和IAA）的精细调控。ABA积累和IAA耗竭触发了AZ细胞中细胞壁降解酶（如纤维素酶和扩张蛋白）的表达上调，导致细胞壁松散和降解。同时，淀粉和蔗糖代谢通路的激活为脱落过程提供了必要的能量和碳源。这一多组学整合研究不仅揭示了果实脱落的分子机制，也为通过调控激素平衡和细胞壁代谢培育抗脱落桑树品种提供了理论依据。

5 结论

研究通过多组学方法系统解析了光叶桑幼果脱落的生理与分子机制，揭示了ABA和IAA的激素失衡、细胞壁合成与降解酶的表达变化以及能量代谢重编程在脱落过程中的关键作用。这些发现为桑树育种和现代农业的可持续发展提供了重要 insights。