BR调控糖代谢与抗氧化防御协同缓解玉米干旱胁迫下花丝伸长的生理与分子机制

《Remote Sensing》：Joint Deblurring and Destriping for Infrared Remote Sensing Images with Edge Preservation and Ringing Suppression

本综述系统阐述了外源油菜素内酯（BR）通过增强抗氧化酶（POD、SOD、CAT）活性、促进脯氨酸（Pro）积累以及重编程蔗糖代谢（如抑制SPS、激活VIN和SS-I），从而有效缓解玉米生殖期干旱胁迫所致花丝伸长抑制的多层次机制，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

引言

玉米（Zea mays L.）作为重要的粮食、饲料和工业原料作物，在其生长发育过程中对干旱胁迫极为敏感。特别是在气候变化的背景下，干旱胁迫对全球玉米产量的威胁日益加剧。在玉米开花期，干旱胁迫会严重抑制花丝的伸长，而雄穗开花通常不受影响，这种生理上的不同步性导致开花-吐丝间隔期（ASI）延长。由于花丝是捕获花粉的关键器官，ASI延长会导致授粉不完全和受精失败，最终造成谷物减产。因此，开发有效的策略来缓解干旱引起的损失显得尤为迫切。

应用外源植物生长调节剂（PGRs）已成为增强作物耐旱性的一个有前景的策略。其中，油菜素内酯（BR）因其在调节生长、发育和胁迫适应方面的广谱效应而受到广泛关注。例如，叶面喷施0.1 mg/L的BR通过改善光合性能、提高抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性和增加脯氨酸含量来增强玉米的耐旱性。然而，关于在生殖生长早期施用BR是否能缓解水分亏缺胁迫对雌穗花丝伸长的抑制，及其调控生理代谢的潜在机制，目前知之甚少。在生殖生长期间，花丝的伸长关键依赖于持续的碳和能量供应，其中蔗糖是主要的运输碳水化合物。蔗糖随后可通过细胞壁转化酶（CWIN）、液泡转化酶（VIN）和蔗糖合成酶（SUS）水解为葡萄糖和果糖，为细胞扩张提供碳骨架和ATP生成底物。然而，干旱胁迫通过损害蔗糖向花丝的韧皮部卸载并抑制CWIN、VIN和SUS的活性来破坏这一过程。这导致花丝内蔗糖积累和己糖耗竭的不平衡，造成碳和能量赤字，最终限制花丝伸长。因此，本研究旨在（i）量化外源BR在生殖期水分亏缺胁迫下对花丝伸长的缓解作用，以及（ii）确定缓解水分亏缺胁迫影响的最佳BR浓度并评估相关的生化特性。

材料与方法

试验于2024年在安徽农业大学农萃园进行，采用盆栽试验，使用玉米杂交种郑单958（ZD958）。土壤为壤土，每盆装干土20公斤，并施入基肥和追肥。试验采用完全随机设计，每个处理3次重复。所有处理包括WW（充分浇水对照）、DS（水分亏缺胁迫，无叶面喷施）、DS+H₂O（水分亏缺胁迫下喷施蒸馏水作为喷施对照）、DS+BR1（水分亏缺胁迫下喷施0.1 mg mL^?1BR）、DS+BR2（水分亏缺胁迫下喷施0.5 mg mL^?1BR）和DS+BR3（水分亏缺胁迫下喷施1 mg mL^?1BR）。在玉米V11期开始进行水分控制，至V13期时维持土壤含水量为田间持水量的55% ± 5%，以建立中度水分亏缺胁迫。同时进行叶面喷施处理。在水分亏缺胁迫的第10天，采集对水分亏缺最敏感的顶部花丝，立即用液氮冷冻并保存于-80°C。

测定指标包括花丝长度、过氧化物（H₂O₂和O₂^?）含量、抗氧化酶（POD、SOD、CAT）活性、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸（Pro）含量、糖含量（可溶性总糖、蔗糖、果糖、葡萄糖）以及糖代谢相关酶（CWIN、VIN、SPS、SS-I）活性。并进行了转录组（RNA-seq）分析和RT-qPCR验证。

结果

外源BR对水分亏缺胁迫下花丝长度的影响

水分亏缺胁迫使花丝长度较WW显著降低了84.75%。在水分亏缺胁迫下，喷施蒸馏水使花丝长度较DS增加了41.96%。喷施0.1和0.5 mg mL^?1BR则分别使花丝长度较DS+H₂O进一步增加了3.43%和107.89%。相比之下，喷施1 mg mL^?1BR加剧了水分亏缺诱导的花丝伸长抑制。其中，0.5 mg mL^?1BR在缓解水分亏缺诱导的花丝伸长抑制方面最为有效。

外源BR对水分亏缺花丝氧化胁迫和膜损伤的影响

水分亏缺胁迫显著增加了活性氧（ROS）积累和膜损伤。喷施蒸馏水使O₂^?、H₂O₂和MDA含量较DS分别显著降低了15%、31%和15%。在水分亏缺胁迫下，所有浓度的BR均能进一步抑制ROS积累和膜损伤。喷施0.1、0.5和1 mg mL^?1BR分别使O₂^?含量降低了46.84%、36.44%和11.11%，使H₂O₂含量降低了65.3%、66.9%和20.1%，同时使MDA含量降低了15%、24%和21%。其中，0.5 mg mL^?1BR在缓解氧化胁迫及其对膜的损伤方面表现出最强的活性。

外源BR对水分亏缺花丝抗氧化酶活性的影响

水分亏缺胁迫显著增强了POD、SOD和CAT的活性。喷施蒸馏水相对于DS并未显著增强抗氧化能力。然而，与DS+H₂O相比，喷施0.1和0.5 mg mL^?1BR进一步显著提高了POD、SOD和CAT的活性，其中0.5 mg mL^?1BR效果最显著。喷施0.1 mg mL^?1BR使POD、SOD和CAT活性分别提高了31.36%、12.41%和20.05%。喷施0.5 mg mL^?1BR使POD活性提高了77.20%，SOD提高了46.49%，CAT提高了33.43%。相比之下，喷施1 mg mL^?1BR不仅对POD活性无显著影响，反而抑制了SOD活性，仅使CAT活性轻微提高了8.27%。

外源BR对水分亏缺胁迫下花丝脯氨酸含量的影响

水分亏缺胁迫使脯氨酸含量较WW显著增加了91.2%。与DS相比，喷施蒸馏水并未显著增加脯氨酸含量。然而，喷施0.1和0.5 mg mL^?1BR使脯氨酸含量较DS+H₂O分别增加了25.68%和76.01%。喷施1 mg mL^?1BR则使脯氨酸含量显著降低了22.42%。其中，0.5 mg mL^?1BR处理下的脯氨酸含量最高。

外源BR对水分亏缺胁迫下花丝糖含量及糖代谢的影响

水分亏缺胁迫显著增加了蔗糖含量，减少了己糖积累。喷施蒸馏水对蔗糖、果糖、葡萄糖和可溶性糖含量的影响相对于DS最小。与DS+H₂O相比，喷施0.1、0.5和1 mg mL^?1BR分别使蔗糖含量降低了46.65%、91.91%和19.13%。同时，叶面喷施0.1、0.5和1 mg mL^?1BR使果糖含量分别显著增加了14.42%、24.78%和11.80%，其中0.5 mg mL^?1BR处理下果糖含量最高。此外，喷施0.1和0.5 mg mL^?1BR使葡萄糖含量分别增加了50.00%和71.83%，而喷施1 mg mL^?1BR则使其降低了60.54%。同样，喷施0.1和0.5 mg mL^?1BR使可溶性糖含量分别增加了7.20%和20.59%，但喷施1 mg mL^?1BR则使其降低。

为了阐明这一代谢过程，分析了糖代谢相关酶的活性。与DS+H₂O相比，喷施0.1和0.5 mg mL^?1BR显著抑制了SPS活性（分别降低19%和25%），同时显著增强了VIN的活性，尤其是在0.5 mg mL^?1BR处理下。此外，SS-I和CWIN活性在各处理间无显著差异。

BR处理的水分亏缺胁迫花丝的转录组分析

对WW、DS、DS+H₂O和DS+BR2（0.5 mg mL^?1）三个处理进行了转录组测序（RNA-seq）。转录组数据与Zm_B73参考基因组的比对率高于85%。qRT-PCR分析验证了RNA-seq数据的可靠性。在DS vs. WW、DS+H₂O vs. DS和DS+BR2 vs. DS+H₂O比较组中共鉴定到14555个差异表达基因（DEGs），其中1274个DEGs为共有。火山图显示，喷施BR后显著上调的基因数量较多，在DS+BR2 vs. DS+H₂O比较中，有6171个上调DEGs和3295个下调DEGs。KEGG富集分析显示，淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷代谢以及α-亚麻酸代谢途径在三个比较中均显著富集。值得注意的是，在DS vs. WW和DS+H₂O vs. DS比较中，下调的DEGs占主导，而在DS+BR2 vs. DS+H₂O比较中，上调的DEGs占主导。此外，MAPK信号通路在DS+H₂O vs. DS比较中富集，而苯丙烷生物合成和糖酵解/糖异生途径在DS+BR2 vs. DS+H₂O比较中富集。

BR处理下淀粉和蔗糖代谢相关基因的表达

在淀粉和蔗糖代谢途径中，叶面喷施BR上调了多个DEGs的表达。BR喷施上调了与蔗糖向葡萄糖代谢相关的DEGs，涉及蔗糖磷酸合成酶（SUS）、bgzB和bglx。同时，BR还显著上调了蔗糖分解为葡萄糖过程中的关键基因，如蔗糖转化酶（INV）、己糖激酶（HK）和葡萄糖磷酸异构酶（GPI）。

BR处理下糖酵解/糖异生相关基因的表达

BR喷施后糖酵解/糖异生的KEGG富集分析显示，在糖酵解的初始过程中，喷施BR显著上调了编码HK的DEGs的表达。同时，喷施BR上调了整个糖酵解途径，包括上调磷酸果糖激酶-1（pfkA）、焦磷酸依赖性磷酸果糖激酶（pfp）、醛缩酶（ALDO）、甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）、磷酸甘油酸激酶（PGK）和磷酸丙糖异构酶（TPI）等DEGs的表达。这表明BR促进了与糖代谢相关的碳水化合物代谢途径以及三羧酸循环的活性。

讨论

开花前期的干旱胁迫主要通过强烈抑制花丝伸长来严重影响玉米的生殖成功。这种抑制在穗尖部位最为严重，导致吐丝延迟、暴露于干燥环境，进而造成授粉失败和ASI延长。为了剖析其潜在机制，我们在盆栽试验中施加了可控的中度水分亏缺 regime。众所周知，这种程度的胁迫会诱导适应性代谢变化而不造成不可逆的损伤，从而为研究植物激素介导的适应提供了合适的背景。在此定义的胁迫背景下，叶面喷施BR的功效表现出双相浓度依赖性，这种模式表明其作为低剂量信号分子在胁迫适应中的作用。

干旱会触发过量的ROS积累，导致细胞损伤，从而阻碍生长过程。本研究中，BR应用显著降低了ROS积累（O₂^?、H₂O₂），同时增强了抗氧化酶（POD、SOD、CAT）活性，从而减轻了膜脂过氧化。BR喷施还显著增加了脯氨酸含量，表明在水分亏缺条件下改善了渗透调节和细胞水合作用。我们的转录组分析为这些生理观察提供了机制联系，揭示了苯丙烷生物合成途径的显著富集（例如PAL、C4H、CCR）。该途径的上调表明BR可能通过酶活性和非酶防御机制的潜在刺激来增强ROS清除能力并可能强化细胞壁。酶促和非酶促抗氧化系统的这种协同增强建立了一个强大的防御前沿，为花丝伸长创造了更有利的细胞环境。

重要的是，与先前专注于通过光合作用或渗透调节来提高耐旱性的研究不同，我们的研究进一步发现，BR可能通过重编程花丝蔗糖代谢来缓解能量供应和氧化还原平衡的限制。蔗糖代谢不仅对碳和能量供应至关重要，而且还是胁迫下细胞氧化还原稳态的关键调节因子。在我们的研究中，水分亏缺诱导的蔗糖积累可能归因于SPS活性的增加和VIN活性的抑制。这造成了代谢瓶颈，限制了己糖流。由此产生的限制可能制约糖酵解的ATP供应和磷酸戊糖途径（PPP）的底物可用性，而PPP是抗氧化剂再生NADPH的关键来源。因此，能量和还原能力的双重缺乏加剧了ROS积累和氧化损伤，进一步抑制了花丝伸长。

然而，BR的应用有效地缓解了这种代谢限制。它显著抑制了SPS活性，同时增强了VIN活性，从而将碳流重新导向己糖（例如葡萄糖和果糖）的产生。己糖的增加不仅有助于渗透调节和细胞扩张，还可能促进糖酵解，为生物合成产生ATP。此外，己糖的增加也可能为PPP提供底物，促进NADPH的产生。NADPH对于抗氧化系统的再生至关重要，例如抗坏血酸-谷胱甘肽循环。因此，BR可能通过重启碳流、恢复氧化还原稳态和支持细胞伸长建立了一个良性循环。转录组和生理数据的整合进一步支持了这一结果，并揭示了BR的功能。尽管参与蔗糖代谢的基因被广泛上调（INV、HK、GPI、GAPDH、PGK、TPI），但BR选择性地增强了VIN活性而没有增加CWIN活性，这与转录组数据中VIN编码基因的上调一致。这表明BR介导的缓解优先调动细胞内（液泡）蔗糖储备用于代谢利用，而不是调节质外体蔗糖卸载。值得注意的是，这种调控表现出基因家族成员特异性。这表明BR信号并非简单地激活整个通路。在蔗糖代谢基因家族中，不同的旁系同源基因（例如INV、HK和SUS家族中的成员）对BR的响应程度不同。例如，SUS旁系同源基因的上调表明其协同转向裂解方向，产生UDP-葡萄糖，这是细胞壁生物合成的关键前体。与同时增强的苯丙烷途径相结合，这表明BR介导的重编程不仅解决了能量危机，还协调了建筑材料供应以在胁迫下强化花丝结构，为未来的验证提供了明确的候选基因。

结论

花丝伸长抑制是玉米生殖期水分亏缺胁迫下谷物减产的主要原因。叶面喷施油菜素内酯（BR）有效缓解了水分亏缺诱导的不利影响，其中0.5 mg mL^?1BR最为有效。生理分析表明，叶面喷施BR缓解水分亏缺抑制花丝伸长归因于通过协调的生理改善，包括提高抗氧化酶（CAT、SOD、POD）活性和促进脯氨酸积累。重要的是，BR的应用重编程了糖代谢，将花丝中的糖平衡从蔗糖积累转向己糖积累。转录组数据进一步支持了这些发现，BR诱导了蔗糖代谢和糖酵解途径中基因表达的上调。苯丙烷生物合成基因的伴随上调与BR应用缓解水分亏缺胁迫相关，可能由次生代谢物介导。总体而言，叶面喷施BR主要通过增强抗氧化能力、维持渗透调节以及重编程蔗糖代谢向己糖积累以支持生殖组织能量流来缓解水分亏缺诱导的花丝伸长抑制，该过程可能涉及苯丙烷次生防御。除了其叶面应用外，本研究为开发抗旱玉米品种提供了机制见解和分子靶点。