《Scientia Horticulturae》：Exogenous zeaxanthin enhances cold tolerance in
Phalaenopsis-type
Dendrobium seedlings through physiological regulation and transcriptomic reprogramming
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外源玉米黄质（zeaxanthin，Z）显著增强了蝴蝶兰型石斛（Phalaenopsis-type Dendrobium）幼苗的耐寒性。该物质通过维持细胞膜完整性并提升渗透保护物质水平来发挥保护作用。RNA测序（RNA-seq）揭示了调控光合作用与胁迫解毒的核
外源玉米黄质（zeaxanthin，Z）显著增强了蝴蝶兰型石斛（Phalaenopsis-type Dendrobium）幼苗的耐寒性。该物质通过维持细胞膜完整性并提升渗透保护物质水平来发挥保护作用。RNA测序（RNA-seq）揭示了调控光合作用与胁迫解毒的核心模块。玉米黄质通过调节丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路和ABC转运蛋白来维持细胞稳态。其保护效果因兰花幼苗的品种和发育阶段而异。50 mg L-1的玉米黄质处理在低温胁迫下显著降低了叶片黄化率、膜脂过氧化水平，同时提高了脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量，并延缓了叶绿素降解。半致死温度（LT50）分析表明，玉米黄质处理组的LT50估计值均低于对照组。加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定出darkgreen和grey60两个关键模块，分别包含268和363个基因，这些模块与叶绿素、丙二醛（MDA）和脯氨酸等生理性状显著相关。转录组分析显示，玉米黄质处理上调了与光合作用和叶绿体生物发生相关的基因，并富集于NAC、MYB、WRKY和ERF等转录因子家族。研究还发现，玉米黄质的保护效果在不同品种和苗龄间存在差异，表明其应用需针对特定品种和生长阶段进行优化。
一、研究背景与意义
蝴蝶兰型石斛（Phalaenopsis-type Dendrobium）是原产于热带地区的兰科植物，对低温极为敏感，这严重限制了其在亚热带和温带地区的栽培。该属植物在整个生长周期中需要25–30°C的恒温以及60–70%以上的相对湿度。当温度低于15°C时，其生长和开花会受到显著抑制。即使在热带海南，冬季温度也经常低于15°C的关键阈值，需要昂贵的加热措施来维持冬季生长。低温不仅降低花产量和品质，还会导致生长停滞，影响后续季节的生产。此外，该属植物还具有重要的药用和功能性食品价值，例如铁皮石斛多糖具有生物活性，维持稳定的石斛供应链具有重要的经济意义。因此，开发有效且经济可行的策略来增强蝴蝶兰型石斛的耐寒性，对于稳定生产具有重要意义。
在外源保护剂的应用策略中，研究人员筛选了五种化合物——褪黑素（melatonin，MT）、玉米黄质（zeaxanthin，Z）、茉莉酸（jasmonic acid，JA）、脯氨酸（proline，Pro）和5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，ALA）。这些物质在胁迫缓解中具有明确但不同的作用：MT和ALA是参与活性氧（ROS）清除的强效抗氧化剂；JA是胁迫适应中的关键信号分子；Pro是稳定细胞膜的关键渗透保护物质；而玉米黄质是叶黄素循环的基本组分，对于光保护和低温胁迫下耗散过量光能至关重要。通过比较这些候选物质，研究人员旨在确定最有效的药剂，并系统研究其增强石斛幼苗耐寒性的生理和转录组机制。
玉米黄质在植物胁迫韧性中不可或缺，它是叶黄素循环中的关键叶黄素。玉米黄质通过非光化学淬灭（non-photochemical quenching，NPQ）将过量激发能以热的形式耗散，从而降低光合机构遭受光氧化损伤的风险。已有研究表明，外源玉米黄质可通过提高叶绿素a和b含量、保持总叶绿素、降低相对电解质渗漏率（REC）和丙二醛（MDA）水平来减轻辣椒低温条件下的生理损伤。然而，玉米黄质在兰科植物中赋予耐寒性的潜力，特别是在冷敏感的蝴蝶兰型石斛中，在很大程度上尚未被探索。其保护机制在兰科植物中的协同生理和转录组变化尚未完全阐明。此外，控制其功效的剂量反应关系，以及这些保护效果受基因型或发育阶段影响的程度，仍有待确定。解析这些变量对于制定精准栽培方案至关重要。
二、主要技术方法
研究人员使用了多种关键技术方法。首先，通过叶面喷施五种候选化合物并评估叶片黄化率，筛选出最有效的抗胁迫药剂。随后，对玉米黄质处理组和对照组进行了高通量转录组测序（RNA-seq），使用Illumina NovaSeq 6000平台进行双端150 bp测序，共生成96.31 Gb的清洁数据，平均Q30比例超过97.57%。测序数据经FastQC质量评估、Cutadapt去接头和低质量reads后，使用HISAT2比对到铁皮石斛参考基因组，并通过edgeR进行差异表达分析。此外，研究人员还构建了加权基因共表达网络分析（WGCNA）来鉴定与生理性状相关的关键模块。所有植物材料均来自中国热带农业科学院热带作物种质资源研究所（海南儋州）的人工培育杂交组合。
三、研究结果
3.1 不同抗胁迫药剂对低温胁迫下幼苗50%和100%黄叶率的影响
褪黑素在所有测试浓度下均未显著改变50%黄叶率。相比之下，玉米黄质在20–80 mg L-1浓度范围内均显著降低了黄化率，其中Z-60效果最佳（17.6%）。茉莉酸仅JA-100显著降低了黄叶率（27.4%），5-氨基乙酰丙酸仅ALA-5表现出显著改善效果（19.9%）。
3.2 不同浓度玉米黄质对低温胁迫下植株黄化和落叶率的影响
玉米黄质处理表现出双重调节效应。在50%黄化阶段，所有玉米黄质处理组的黄化率均显著低于对照，其中50 mg L-1（Z-50）效果最显著，黄化率为13.7%，而对照为36.5%。在100%黄化阶段，Z-50仍表现出最强效果（18.3%），所有处理组均显著低于对照（38.7%）。落叶率排序为Z-50 < Z-60 < Z-40 < Z-20 < Z-100 < CK，表明适量玉米黄质能有效抑制叶片脱落。
3.3 不同玉米黄质处理下半致死温度
线性化逻辑回归拟合的R2值范围为0.8683至0.9725。未处理对照的LT50估计值为6.67°C，而所有玉米黄质处理组的LT50点估计值均低于对照：Z-20为2.97°C，Z-40为3.74°C，Z-50为3.02°C，Z-60为1.37°C，Z-100为3.32°C。
3.4 不同浓度玉米黄质对低温胁迫下生理指标的影响
对照组的MDA含量在第6天达到峰值39.9 nmol g-1，而Z-50记录到最低值14.3 nmol g-1，较对照降低64.2%。可溶性蛋白含量方面，Z-50在第9天达到最高水平1.8 mg mL-1，较对照（0.9 mg mL-1）增加88.7%。可溶性糖含量呈单峰模式，Z-50显著提高至38.05 mg mL-1（+37.8%）。脯氨酸含量持续增加，Z-50在第9天达到141.9 μg mL-1，较对照（64.9 μg mL-1）高118.9%。总叶绿素含量方面，Z-50在第13天保留了初始水平的65.2%，而对照仅保留49.0%。
3.5 测序数据质量评估与样本相关性和主成分分析
RNA-seq样本在六个时间点采集，共生成96.31 Gb清洁数据，平均Q30比例超过97.57%。大多数生物学重复在其各自组内紧密聚集，而第13天样本显示出更大的离散度。
3.6 差异表达基因分析
各比较组中分别鉴定出1159、470、1601、1542、3458和43个差异表达基因（DEGs）。其中8273个DEGs在所有六个比较组中共表达。第9天至第13天DEGs数量从3458降至43，可能与恢复期间的转录组趋同有关。
3.7 GO注释和KEGG富集
上调DEGs显著富集于光合作用和叶绿体生物发生相关生物学过程，包括光系统组装、叶绿体亚区室组织、RNA修饰和ATP结合。下调DEGs主要与水分剥夺和低氧响应、细胞壁组织及NADH脱氢酶活性相关。KEGG通路富集显示，NAC、MYB、WRKY和ERF转录因子家族与上调基因相关，而ARF和bHLH家族在下调基因中更为突出。
3.8 共表达网络构建与关键模块鉴定
WGCNA共鉴定出九个模块。darkgreen和grey60模块因满足预设模块-性状标准（|r| ≥ 0.80，P < 0.01）而被优先考虑，分别包含268和363个基因，与叶绿素、MDA和脯氨酸等冷相关生理性状呈互逆关联模式。
四、讨论与结论
研究结果表明，50 mg L-1玉米黄质处理为蝴蝶兰型石斛幼苗提供了最有利的整体生理状态，结合了降低的脂质过氧化、增强的渗透调节、叶绿素维持以及低于对照的LT50点估计值。转录组分析揭示了玉米黄质诱导的光合作用增强和能量产生途径，以及特定非生物胁迫和呼吸反应的缓解。关键模块的鉴定为理解玉米黄质介导的耐寒性调控网络提供了框架。研究还发现，玉米黄质的保护效果因品种和苗龄而异，表明其应用需针对特定品种和生长阶段进行优化，为商业兰花生产中精准栽培方案的制定提供了理论依据和实践策略。
