基于整合生理与转录组的田间解析揭示冬瓜（Benincasa hispida）叶片缺钾与钾过量下关键代谢通路及K+稳态调控

《Plant Physiology and Biochemistry》：Integrative physiological and transcriptomic analyses reveal key metabolic pathway responses in wax gourd ( Benincasa hispida) leaves under potassium deficiency and excess

开展田间试验以研究钾（K）对冬瓜关键代谢途径的影响。分析缺钾与钾过量条件下的生理和转录组特征。缺钾降低产量和品质，损害光合作用和叶绿体结构。缺钾激活抗氧化系统以及脱落酸（ABA）/细胞分裂素（CTK）信号通路，增强植物抗逆响应。钾过量下调关键转运蛋白基因（AKT1、ABC家族）以及淀粉/蔗糖代谢相关基因。

钾（K）是植物必需大量元素，参与光合作用、离子稳态、渗透调节、酶活化、能量转移、蛋白质合成、韧皮部运输和气孔运动。土壤总钾可能较高，但植物仅能吸收有效钾。缺钾和钾过量均抑制植物生长：缺钾抑制光合及碳水化合物转运和代谢，损害产量与品质；钾过量造成钾胁迫和“奢侈消耗”，并可能污染土壤水体。冬瓜（Benincasa hispida）是葫芦科一年生蔬菜，需钾量大且对钾敏感，但已有研究多集中于产量、形态和品质，生理与分子机制尚不清楚。因此，研究人员通过田间试验系统研究不同钾水平下的表型、生理和转录响应，旨在阐明适应机制、鉴定缺钾和钾过量关键调控通路，并利用加权基因共表达网络分析（WGCNA，用于构建基因共表达模块并关联表型的分析方法）筛选核心基因与调控网络，为优化钾管理提供依据。

研究人员于2025年在河南沁阳开展田间试验，以冬瓜品种“Heilong”为材料，设不施钾（K0）、农学适中钾（K300，300 kg K₂O hm^-2）和过量钾（K500，500 kg K₂O hm^-2）。结果表明，与K300相比，K0和K500分别减产25.22%和10.38%，缺钾对品质、光合、叶绿体结构和钾积累的损害更明显；缺钾上调AKT1、抗氧化系统（SOD，超氧化物歧化酶；CAT，过氧化氢酶）及脱落酸（ABA）/细胞分裂素（CTK）信号，而钾过量下调多个转运基因和淀粉/蔗糖代谢基因。该研究为理解冬瓜钾胁迫响应和钾肥优化提供理论依据。

方法简述：关键技术包括田间三钾水平随机区组试验；产量和品质测定；SPAD（叶绿素相对含量）、叶绿素、生物量、钾含量及Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）、SPS（蔗糖磷酸合成酶）、AGPase（ADP-葡萄糖焦磷酸化酶）活性测定；气体交换、叶绿素荧光、光响应与CO₂响应曲线；透射电镜、石蜡切片、扫描电镜、气孔观察和红外热成像；RNA-seq及差异表达基因（DEGs）、GO/KEGG富集、趋势分析、WGCNA、qRT-PCR；Mantel检验和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）。样本来源为2025年河南沁阳田间试验，品种“Heilong”，三处理三次重复。

结果：
3.1 产量和品质：田间测产和品质分析表明，与K300相比，K0和K500分别减产25.22%和10.38%；K0降低果实纵径、横径及可溶性糖、可溶性蛋白、可滴定酸、维生素C和干物质；K500降低可溶性蛋白、维生素C和干物质。
3.2 光合生理特征：光响应和CO₂响应分析显示，K0降低Pn_max和V_cmax，提高光补偿点和暗呼吸速率，降低光合钾利用效率；K500提高苗期暗呼吸，降低V_cmax和J_max。
3.3 叶肉细胞和叶绿体：解剖和透射电镜显示，K300叶片结构最佳；K0和K500叶肉变薄、细胞排列松散，K0叶绿体损伤严重并积累淀粉粒和嗜锇颗粒，K500损伤较轻；K0气孔少且近关闭。
3.4 转录组分析：RNA-seq获得大量清洁读段，PCA和相关性分析显示处理间分离；K300 vs K0、K300 vs K500、K0 vs K500分别鉴定2,498、1,349、2,117个DEGs，222个共有；趋势分析多数在K300出现转折。
3.5 光合系统、天线蛋白和卟啉代谢相关DEGs：光合系统、天线蛋白、卟啉代谢和光合电子传递相关基因多在K0下调，K500部分细胞色素b6/f基因上调；K0降低叶绿素、SPAD、Pn、Tr、Gs以及F_v/F_m、Φ_PSII、ETR并提高NPQ。
3.6 淀粉、蔗糖代谢和氮代谢：K0下调otsB、TREH、glgC、glgA等，K500下调SUS、SPP、UGP2、bglB、bglx、HK；氮代谢基因NR、nirA、GLU在K0下调而在K500上调；Rubisco、SPS、AGPase活性呈K300>K500>K0。
3.7 ABC转运和钾离子转运：K0上调ABCA3、ABCB9、ABCB10，下调ABCB1、ABCC1、ABCC2；K500下调ABCA3、ABCB1、ABCC10；AKT1在K0上调、K500下调，SKOR在两种处理均下调，POT在K500下调；钾积累为K300>K500>K0。
3.8 苯丙烷和类黄酮生物合成：K0和K500均下调CAD、CYP98A、CSE、CHS、CYP73A、F3H等苯丙烷和类黄酮合成基因。
3.9 植物激素信号转导：K0上调CTK、ABA和SA相关CRE1、AHP、ARR-B、ARR-A、ABF、PYL、PP2C、SnRK2、PR1、TGA，下调AUX；K500上调JA的COI1和JAZ，其他多数信号基因下调。
3.10 WGCNA：鉴定19个模块，MM.lightyellow和MM.brown与产量品质及光合钾利用效率负相关，MM.blue与多数性状正相关；关键hub基因包括SigE、actin、RDUF1、葡萄糖-6-磷酸/磷酸转运蛋白2、ERF060和F-box蛋白；qRT-PCR与RNA-seq一致。
3.11 钾积累、光合生理与产量品质相关性：Mantel检验和PLS-PM显示产量品质与钾积累、光合钾利用效率正相关，酶活性与气体交换和叶绿素荧光参数正相关；钾施肥正调控酶活性，叶片结构和叶绿素促进酶活性，进而影响光合，钾积累对产量品质和光合钾利用效率有直接正效应。

讨论部分：
4.1 K胁迫对光合生理、碳氮代谢和生长发育：缺钾和过量钾均破坏生理稳态，缺钾对产量品质和光合影响更明显；缺钾降低光合基因、叶绿素和气体交换，损害叶绿体并提高冠层温度；氮代谢和碳代谢基因表达改变，K300下Rubisco、SPS、AGPase活性最高。
4.2 K胁迫对K⁺吸收和激素响应：AKT1在缺钾上调、钾过量下调，SKOR下调，ABC转运基因变化，钾积累K300>K500>K0，说明过量钾未被有效利用；缺钾激活ABA/CTK信号，钾过量抑制这些通路并上调JA部分基因。
4.3 K通过活性氧（ROS）稳态和次生代谢调控非生物胁迫耐受：缺钾诱导SOD和CAT，维持氧化还原平衡；K0和K500均下调苯丙烷和类黄酮合成基因，可能损害木质素合成和次生细胞壁组装。

研究结论翻译：本研究表明，缺钾和高钾胁迫分别使冬瓜产量降低25.22%和10.38%。缺钾条件下果实品质下降，叶绿体超微结构受损，光合作用及相关酶活性受抑制。转录组学揭示叶片光合作用、天线蛋白、卟啉代谢和氮代谢相关基因（NR、nirA、GLU）下调，同时AKT1、抗氧化系统基因（SOD、CAT）和激素信号通路（ABA、CTK）激活，协调胁迫响应。高钾下多个转运蛋白基因（ABCA3、ABCB1、ABCC10、SKOR、POT）及淀粉和蔗糖代谢相关基因（SUS、SPP、UGP2、bglB、bglx、HK）下调，有助于维持细胞内K⁺稳态。尽管如此，这些发现仍需在更广泛田间条件（如多地点、多年试验）验证；整合代谢组学和蛋白质组学等多组学方法将有助于全面解析钾营养调控的关键代谢途径和调控网络。该工作为改善冬瓜营养品质、增强胁迫耐受性和实现钾肥高效利用提供理论基础和实践指导。