转录组学揭示印度梨形孢（Piriformospora indica）通过代谢重塑、能量优化与氧化防御调控烟草种子萌发的分子机制

本刊推荐：本研究通过生理学与转录组学（RNA-Seq）分析，系统揭示了内生真菌印度梨形孢（P. indica）促进烟草种子萌发的多重机制。结果表明，P. indica 通过增强脂质与淀粉降解、优化糖代谢网络、重构糖酵解（EMP）、丙酮酸代谢与三羧酸循环（TCA cycle）等能量代谢通路，并激活苯丙烷生物合成（phenylpropanoid biosynthesis）与抗氧化酶（POD/CAT）活性，显著提升萌发效率与抗氧化能力，为微生物菌剂在种子萌发调控中的应用提供了理论依据与技术支撑。

　　

引言

种子萌发作为植物生命周期的起始阶段，对作物出苗率、生长活力及最终产量与品质具有决定性影响。近年来，利用印度梨形孢（Piriformospora indica）等有益微生物进行种子生物 priming，已成为促进植物生长和增强抗逆性的可持续策略。本研究以烟草（Nicotiana tabacum cv. Yunyan 87）为模型，通过生理学与转录组学分析，探究 P. indica 在种子萌发中的调控机制，重点关注其如何通过代谢重塑、能量优化与氧化防御系统协同促进萌发过程。

材料与方法

实验采用烟草品种‘云烟87’种子，P. indica 真菌悬浮液（OD₆₀₀ = 0.8）进行接种处理，对照组使用Hoagland营养液。萌发过程分为三个阶段采样：E（未处理干种子）、M（处理后40小时，酶代谢激活期）和L（处理后80小时，胚根突出期）。测定生理指标包括可溶性糖、游离氨基酸、淀粉、脂质含量以及丙二醛（MDA）含量和过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）活性。转录组测序采用Illumina HiSeq? 4000平台，数据与烟草参考基因组比对，进行差异表达基因（DEGs）分析、KEGG富集分析及共表达网络构建。qRT-PCR用于验证关键基因表达。

结果

P. indica 接种对烟草种子萌发的影响

与对照组相比，P. indica 处理显著提高了烟草种子的萌发速率。动态生理指标分析显示，接种后淀粉和脂质降解增强，可溶性糖和游离氨基酸积累显著增加，表明 P. indica 有利于为萌发提供能量和代谢底物。

差异表达基因的鉴定

转录组分析共获得99.4 Gb clean reads，主成分分析（PCA）显示各处理组样本明显分离。与CKE相比，CKM、CKL、PIM和PIL分别鉴定出7,206、11,915、5,550和12,119个DEGs。其中，PIM vs CKE和PIL vs CKE分别特有1,309和2,921个DEGs，表明 P. indica 显著 reprogram 了种子萌发过程中的基因表达模式。qRT-PCR验证结果与RNA-Seq数据高度一致。

KEGG富集与通路网络分析

对照组DEGs主要富集于植物激素信号转导、氨基酸生物合成、淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生和DNA复制等通路，其中糖酵解/糖异生处于核心网络位置。而 P. indica 处理组DEGs显著富集于MAPK信号通路、苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导和植物-病原互作等通路。苯丙烷生物合成和戊糖与葡萄糖醛酸互作具有最高的节点度，形成核心代谢网络。此外，植物激素信号转导、色氨酸代谢和二萜类生物合成等通路也构成另一调控网络。

P. indica 对萌发能量供应的调控

在脂质代谢方面，P. indica 接种上调了甘油三酯脂肪酶（LIP）、单酰甘油脂肪酶（MGLL）、乙醇脱氢酶（ADH）、醛脱氢酶（ALDH）、甘油激酶（GlpK）和长链酰基辅酶A合成酶（ACSL）等基因的表达，促进脂肪酸β-氧化和甘油代谢，为萌发提供能量。在淀粉和蔗糖代谢中，异淀粉酶（ISA）、α-淀粉酶（AMY）、糖原磷酸化酶（PYG）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）和β-呋喃果糖苷酶（Inv）等基因显著上调，加速淀粉水解和蔗糖转化。在能量代谢通路方面，P. indica 处理增强了磷酸戊糖途径（PPP）（G6PD、PGD、rpe）、糖酵解（GAPDH、PGK、PK）、丙酮酸代谢（aceE、aceF、DLD）和TCA循环（ACO、IDH、LSC）中关键基因的表达，构建了高效的产能网络，支持萌发过程中的能量需求。

P. indica 对抗氧化能力的调控

生理测定显示，P. indica 处理显著提高了POD和CAT活性，并降低了MDA含量。转录组分析发现，16个POD和CAT编码基因以及苯丙烷生物合成通路中的22个关键基因（包括PAL、4CL、CAD、COMT、CSE、CCoAOMT）被 P. indica 诱导上调。这表明 P. indica 通过激活抗氧化酶系统和苯丙烷代谢，增强ROS清除能力，减轻氧化损伤，为种子萌发创造有利的细胞内环境。

转录调控网络分析

共表达网络分析构建了两个包含337个基因（118个转录因子和219个代谢与信号基因）的调控网络。其中，GRAS、AP2、bZIP、bHLH、NAC、WRKY、ERF等转录因子家族占据核心位置，它们与碳代谢、脂肪酸代谢、糖代谢、植物激素信号转导、氮代谢、呼吸作用、淀粉和蔗糖代谢等通路基因密切互作，共同调控种子萌发过程。这些网络揭示了 P. indica 通过转录重编程协调激素 signaling 与代谢网络，从而促进萌发的分子基础。

讨论

P. indica 介导的种子萌发增强

本研究证实 P. indica 接种显著促进烟草种子萌发，增加可溶性糖和游离氨基酸水平，与先前在茄子、辣椒等作物中的报道一致。其作用机制涉及多重代谢途径的协同调控。

贮藏物质动员：脂质与淀粉分解代谢

脂质和淀粉作为烟草种子主要贮藏物质，在萌发早期被 P. indica 加速降解，为萌发提供能量和碳源。关键基因如LIP、AMY、ISA和PYG的上调印证了这一过程。

能量代谢重编程：TCA循环与糖酵解途径

通过增强PPP、EMP、丙酮酸代谢和TCA循环的基因表达，P. indica 优化了碳流向能量生成途径的分配，提高了ATP合成效率，支持胚根突出等耗能过程。

多维代谢重编程

KEGG网络分析显示，P. indica 处理扩大了核心代谢网络，引入了戊糖与葡萄糖醛酸互作、甘油脂代谢、脂肪酸生物合成/延伸以及苯丙烷、类黄酮等次级代谢过程，其中苯丙烷生物合成成为关键靶点。

苯丙烷生物合成在种子萌发中的潜在调控作用

苯丙烷代谢产物（如木质素、类黄酮）不仅增强细胞抗氧化能力，还参与激素 signaling 和 defense 反应。PAL、4CL、CAD等基因的上调表明该通路是 P. indica 发挥作用的重要环节。

ROS稳态与抗氧化系统激活

P. indica 通过提升POD和CAT活性（而非SOD），协同苯丙烷衍生物，精准调控ROS水平，既利用其 signaling 功能又防止氧化损伤，保障萌发顺利进行。

激素信号与代谢网络的转录协调

GRAS、AP2、NAC、WRKY等转录因子与ABA、GA signaling 互作，整合碳、氮、能量代谢与应激响应，形成多层次的调控网络，共同驱动种子萌发。

结论

本研究通过多组学分析，系统阐释了 P. indica 通过代谢重塑（增强脂质、淀粉降解与糖代谢）、能量优化（激活PPP、EMP、TCA循环等）和氧化防御（诱导苯丙烷代谢与抗氧化酶）三重机制协同促进烟草种子萌发的分子机制。该研究为微生物菌剂在农业生产中的应用提供了深入的理论基础和技术路径。