整合转录组与激素分析揭示干旱预处理的跨代效应增强小麦后代低温耐受性的机制研究

本研究针对小麦低温耐受性机制未明确的问题，通过多组学方法探究干旱预处理跨代效应，发现后代基因表达与代谢重塑（如激素信号转导和碳水化合物代谢增强），显著提升低温胁迫下的生理性能（如叶绿素荧光和抗氧化酶活性），为抗逆育种提供新策略。

　　

随着全球气候变化加剧，低温胁迫已成为制约小麦生产的重要非生物逆境因素。传统育种策略虽能部分缓解低温危害，但作物对环境胁迫的跨代适应性机制尚未系统阐明。干旱预处理（drought priming）作为一种诱导抗逆性的有效手段，已被证明可增强植物对多种胁迫的耐受性，然而其是否能在后代中产生可持续的遗传效应，尤其是对低温胁迫的响应机制，仍缺乏深入探索。

为此，研究团队以小麦为模型，开展了连续六代的干旱预处理实验，聚焦于籽粒灌浆期处理对后代低温耐受性的影响。该研究发表于《Journal of Integrative Agriculture》，通过整合转录组测序（transcriptome sequencing）和激素代谢分析（hormone profiling），揭示了干旱预处理引发的跨代表观遗传调控网络及其生理效应。

关键技术方法包括：对连续六代小麦进行干旱预处理，采集低温胁迫下的后代样本；利用RNA测序（RNA-Seq）鉴定差异表达基因（DEGs）；采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析激素代谢物；通过生理指标测定（如叶绿素荧光和抗氧化酶活性）评估胁迫响应。样本来源于人工气候室控制环境下的栽培小麦。

研究结果：

1. 1.
   基因表达调控：
   通过转录组分析发现，在正常条件下，预处理后代与非预处理后代间存在424个DEGs；而在低温胁迫下，DEGs数量增至1,679个。这些基因显著富集于植物激素信号转导（plant hormone signal transduction）、油菜素内酯生物合成（brassinosteroid biosynthesis）和玉米素生物合成（zeatin biosynthesis）通路，表明激素调控是跨代抗逆性的核心机制。
2. 2.
   激素代谢重塑：
   低温胁迫下，预处理后代中N-(3-吲哚乙酰基)-L-缬氨酸（N-(3-Indolylacetyl)-L-valine）水平显著降低，而色胺（tryptamine）、二氢玉米素（dihydrozeatin）和赤霉素A₂₀（gibberellin A₂₀）明显升高，揭示了激素代谢网络的重编程直接参与胁迫应答。
3. 3.
   碳水化合物代谢的代际差异：
   研究发现祖代（grandparental）干旱预处理主要增强葡萄糖代谢相关酶活性，而亲代（parental）处理则更直接影响蔗糖代谢，表明不同世代预处理具有阶段特异性调控作用，这可能通过糖信号通路协同激素反应增强低温适应性。
4. 4.
   生理性能提升：
   预处理后代在低温胁迫下表现出更高的叶绿素荧光参数和抗氧化酶（如超氧化物歧化酶SOD和过氧化物酶POD）活性，证实其光合效率和氧化防御系统得到强化，从而维持细胞稳态。

研究结论与讨论：

该研究表明，祖先干旱预处理可通过诱导可遗传的分子与代谢修饰（如激素信号和碳水化合物代谢途径的持续激活），显著增强小麦后代的低温耐受性。这种跨代胁迫记忆（transgenerational stress memory）不仅深化了植物环境适应性的理论认知，还为作物育种提供了新思路：将亲代与祖代的环境历史整合至育种策略中，有望培育出对非生物胁迫（尤其是低温与干旱）具有广谱抗性的小麦品种，提升农业系统在多变气候下的稳定性。