基于广泛靶向代谢组学揭示紫花苜蓿叶片抗旱机制：糖代谢与苯丙烷代谢的关键作用

本研究针对紫花苜蓿抗旱机制不清的问题，通过表型分析和广泛靶向代谢组学技术，比较了抗旱品种“陇中”和敏感品种“甘农3号”在干旱胁迫下的差异。研究发现抗旱品种通过维持更高的糖酵解/糖异生和三羧酸循环（TCA cycle）活性，提供更多ATP和底物，促进氨基酸、多胺和苯丙烷类物质的积累，从而增强抗旱性。关键激素水杨酸（SA）和反式玉米素（TZ）也被确定为抗旱的重要调节因子。该研究为通过代谢调控培育抗旱紫花苜蓿品种提供了理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为限制作物生长和产量的主要非生物胁迫因素。据统计，超过50%的作物减产是由干旱引起的。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作为一种重要的多年生豆科牧草，其产量和种植面积深受干旱影响。尽管此前研究已从生理和分子层面探讨了紫花苜蓿的抗旱性，但叶片代谢层面的机制尚不清晰。尤其是通过广泛靶向代谢组学技术（widely targeted metabolomics）系统解析抗旱与敏感品种在干旱下的代谢差异，仍缺乏深入研究。

为了填补这一空白，Wenjuan Wang等人开展了本研究，旨在通过比较抗旱品种“陇中”（Longzhong, LZ）和敏感品种“甘农3号”（Gannong No.3, G3）在干旱胁迫下的表型特征、代谢通路和代谢物变化，揭示紫花苜蓿抗旱的代谢机制。研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为培育抗旱品种提供了新的理论支持。

研究主要采用了表型指标测定（株高、根长、鲜重、干重和叶片相对含水量RWC）和基于UHPLC-MS/MS的广泛靶向代谢组学技术。实验使用PEG-6000模拟干旱胁迫，对两个品种的叶片样本进行代谢物提取和定量分析，并通过PCA、PLS-DA等统计方法筛选差异积累代谢物（DAMs），利用KEGG富集分析揭示关键代谢通路。

表型特征

干旱胁迫显著降低了两个品种的株高、单株鲜重、干重和叶片RWC，但敏感品种G3的降幅更大。抗旱品种LZ的根长在干旱下显著增加，而G3无显著变化，表明LZ能通过根系形态调整更好地适应干旱。

差异积累代谢物（DAMs）分析

共鉴定到1175种代谢物，主要包括氨基酸及其衍生物、黄酮类、脂质等。PCA和PLS-DA分析显示干旱与对照处理明显分离。LZ和G3分别筛选出434和455个DAMs，其中LZ的上调代谢物更多。

关键代谢通路富集

KEGG富集分析显示，LZ中显著富集的通路包括氨基酸生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢、苯丙烷生物合成、糖酵解/糖异生和TCA循环等。G3中富集的通路还包括谷胱甘肽代谢和维生素B6代谢等。

糖代谢与能量供应

LZ在干旱下能维持更高的糖酵解/糖异生和磷酸戊糖途径（PPP）活性，积累更多葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸等中间产物。TCA循环中α-酮戊二酸、琥珀酸、苹果酸等关键物质在LZ中积累更显著，表明其能量代谢更旺盛。

氨基酸生物合成

LZ积累了更多的组氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸等氨基酸，同时减少了丝氨酸、丙氨酸等的降解。特别是甲硫氨酸（Met）的积累在LZ中更显著，其为多胺合成的前体。

精氨酸和脯氨酸代谢

LZ积累了更多的脯氨酸（Pro）、精胺（Spm）和亚精胺（Spd），同时维持了较高的γ-氨基丁酸（GABA）水平。甲硫氨酸亚砜（MetSO）的积累在G3中更显著，表明其氧化损伤更严重。

苯丙烷代谢

LZ积累了更多的黄酮类（如柚皮素、异甘草素、葛根素等）、酚酸（如阿魏酸）和木脂素前体（如松柏醇和松柏苷），这些物质有助于清除活性氧（ROS）和增强抗旱性。

植物激素

LZ积累了更多的脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）、吲哚-3-乙酸（IAA）和反式玉米素（TZ），其中SA和TZ是区分抗旱性的关键激素。

代谢物与通路的关联分析

RDA分析显示，葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸、α-酮戊二酸等是糖代谢的关键指标；甲硫氨酸、谷氨酸、精胺等是氨基酸和多胺代谢的关键指标；SA和TZ是关键激素。Mantel相关分析表明，糖代谢产生的ATP与氨基酸、多胺和苯丙烷代谢呈正相关。

讨论与结论

本研究从表型和代谢层面系统揭示了紫花苜蓿的抗旱机制。抗旱品种LZ通过维持更高的糖代谢和TCA循环活性，提供充足ATP和底物，促进氨基酸、多胺和苯丙烷类物质的积累，从而增强ROS清除能力和抗旱性。关键激素SA和TZ在调控这些代谢通路中发挥重要作用。

研究提出了一个综合模型（Fig.12）：干旱胁迫诱导ABA、SA和TZ积累，这些激素通过调控抗逆基因表达，促进根系生长和代谢物积累，最终增强抗旱性。该研究不仅深化了对紫花苜蓿抗旱机制的理解，也为通过代谢工程培育抗旱品种提供了新策略。

未来的研究可结合转录组学和基因组学，进一步解析激素调控代谢通路的分子机制，为紫花苜蓿抗旱育种提供更多靶点。