磷素供应通过减弱磷酸盐饥饿相关脂质代谢响应并调控碳代谢缓解黄瓜幼苗低温诱导的生理损伤

《Plant Physiology and Biochemistry》：Phosphorus supply alleviates chilling-induced physiological injury in cucumber seedlings by attenuating phosphate starvation-associated lipid metabolic responses and modulating carbon metabolism

　　

在全球气候变化背景下，低温胁迫被广泛认为是制约植物生长发育、作物产量及地理分布的主要环境因子。依据温度阈值及相关生理响应，低温胁迫通常划分为冷害胁迫（0–15 °C）与冻害胁迫（< 0 °C）。低温暴露可诱导多种有害的生理生化变化，包括膜完整性受损、活性氧（ROS）过量积累、光合作用与能量代谢受抑以及细胞稳态紊乱，严重时可导致细胞死亡。因此，亟需开发有效的调控策略并阐明其潜在分子机制，以减轻低温对植物的损伤。矿质营养状况是植物适应环境胁迫的关键内源决定因素。其中，磷（P）是植物生长发育必需的常量营养元素，主要以无机磷酸盐（Pi）形式被获取和利用。P不仅参与核酸、磷脂和三磷酸腺苷（ATP）等关键生物分子的合成，还调控能量代谢、维持膜稳定性、信号转导及溶质运输。值得注意的是，低温条件下土壤P迁移性下降，根系活性和吸收能力受抑，导致Pi有效性和吸收效率显著降低。由此产生的P缺乏进一步制约ATP合成与能量供应，扰乱膜脂代谢与运输过程，加剧ROS积累和脂质过氧化，最终损害植物对低温胁迫的适应能力。相反，适当的P供应已被证明可通过维持质膜稳定性、增强光合作用和抗氧化酶活性以及促进干物质积累与转运，缓解水稻、黑麦草和小麦等作物的低温损伤。此外，低温暴露的植物会激活与Pi稳态相关的调控网络，包括磷酸盐饥饿响应信号通路以及参与P运输和再分配基因表达的变化，从而优先将P分配至必需生理过程。综上，P营养不仅影响植物对低温响应的幅度，还可能参与冷适应过程中能量代谢、膜脂稳态、抗氧化防御及相关代谢网络的动态调控。鉴于植物对低温响应具有明显的阶段特异性，P营养在不同响应阶段的调控作用及其与耐冷性形成的关系值得进一步研究。黄瓜（Cucumis sativus L.）是全球栽培的重要经济蔬菜作物，具有较高营养价值、强劲市场需求和在设施园艺中的突出地位。全球黄瓜产量从2018年至2023年总体增长，2023年达到9780万吨（FAOSTAT, 2023）。黄瓜原产于热带印度（Sebastian et al., 2010），为喜温物种，最适生长温度为18–30 °C（Cabrera et al., 1992）。然而，在设施栽培和早春育苗中，黄瓜幼苗经常暴露于10 °C以下的低温条件（Fu et al., 2024; Zhang et al., 2025）。由于苗期对低温高度敏感，冷害胁迫可诱导叶片黄化、生长受抑和光合能力下降，同时损害后续开花、授粉、坐果和果实商品性，最终降低产量和品质（Di et al., 2025; Feng et al., 2026; Jiang et al., 2024; Zhou et al., 2025）。因此，增强黄瓜幼苗耐冷性对于设施黄瓜生产的稳定和可持续发展至关重要。尽管P在缓解冷害胁迫中的作用已在多种谷类作物和模式植物中得到证实，但现有研究主要集中于生理响应，而P介导黄瓜耐冷性的动态分子机制仍知之甚少。本研究首先比较了正常和冷害条件下不同P供应水平的黄瓜幼苗，以评估其在所测试P浓度下的生理响应。随后，选取0和4 mM P处理进行生理、转录组和代谢组整合分析，以表征冷害期间P相关的分子和代谢响应。这些发现为P介导的冷适应提供了新见解，并可能为设施黄瓜生产的精准P管理提供依据。

研究背景方面，全球气候变化背景下低温胁迫严重制约植物生长发育和作物产量，冷害可导致膜完整性受损、活性氧（ROS）过量积累、光合与能量代谢受抑及细胞稳态紊乱。磷（P）作为植物必需常量营养元素，参与核酸、磷脂和三磷酸腺苷（ATP）合成及能量代谢、膜稳定性维持等过程。低温条件下土壤P迁移性下降、根系吸收能力受抑，导致无机磷酸盐（Pi）有效性降低，进而制约ATP合成、扰乱膜脂代谢、加剧ROS积累和脂质过氧化。尽管适当P供应已在多种作物中显示缓解低温损伤的效果，但现有研究主要关注生理响应，P介导黄瓜耐冷性的分子机制尚不清楚。黄瓜为喜温经济蔬菜，苗期对低温高度敏感，冷害可导致叶片黄化、生长受抑并影响后续产量品质，因此开展本研究具有重要生产意义。

研究人员以黄瓜品种'长春密刺'为材料，开展了两阶段实验：首先在正常温度下设置0、1、2、4、8 mM P五个浓度筛选，发现1–4 mM P促进生长而8 mM P抑制生长，据此选取0、1、2、4 mM P进行4 °C冷害处理；进一步选取0和4 mM P对比处理进行转录组和代谢组整合分析。主要关键技术方法包括：采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定组织总P含量；使用商业试剂盒测定ATP、丙二醛（MDA）含量及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性；通过二氨基联苯胺（DAB）和氮蓝四唑（NBT）组织化学染色检测H₂O₂和O₂^-积累；利用RNA-seq进行转录组分析（基于黄瓜参考基因组GCF_000004075.3_Cucumber_9930_V3，HISAT2比对、DESeq2差异分析）；采用超高效液相色谱-电喷雾电离-串联质谱（UPLC–ESI–MS/MS）进行代谢组分析；并通过qRT-PCR验证转录组数据可靠性。

研究结果方面，不同P浓度对正常温度下黄瓜幼苗生长的影响：1、2、4 mM P处理显著促进幼苗生长和根系发育，地上部鲜重分别增加27.99%、20.88%、15.67%，而8 mM P处理显著抑制生长。冷害胁迫下不同P浓度对P和ATP含量的影响：4 mM P处理在冷害0、12、24 h均维持最高的地上部和根系P含量及ATP水平。冷害胁迫下不同P浓度对生理特性的影响：4 mM P处理下叶片褐变最轻，12 h和24 h时MDA含量较0 mM P分别降低23.35%和26.17%，电解质渗漏分别降低25.44%和24.60%，抗氧化酶活性维持最高水平，DAB和NBT染色最浅。转录组分析：在0、12、24 h的4P vs 0P比较中分别鉴定到186、75、98个差异表达基因（DEGs）；GO富集显示12 h和24 h下调DEGs主要富集于细胞对磷酸盐饥饿的响应、磷酸盐离子稳态、膜脂生物合成和磷脂分解代谢等过程；KEGG富集显示不同时间点涉及α-亚麻酸代谢、植物激素信号转导、甘油酯代谢等通路；关键DEG热图显示4 mM P降低了磷酸盐饥饿相关基因（HHO2、SPX2、SPX3）、碳和能量代谢基因（PPCK1、PPCK2）及膜脂代谢基因（MGDG2、DGDG2、SQD2）的表达；双向方差分析和双重差分（DiD）分析表明18个候选基因均存在显著的P×冷害时长互作效应。代谢组分析：三个比较中分别鉴定到425、494、261个差异积累代谢物（DAMs）；4 mM P处理在冷害早期主要关联糖代谢和抗氧化防御相关过程增强，后期则以多种次生代谢物（黄酮类、木脂素类、原花青素等）积累增加为特征。转录组与代谢组整合分析：九象限分析显示DEGs与DAMs主要在第三和第七象限呈现协同变化；联合KEGG富集显示碳代谢、甘油磷脂/甘油酯代谢在多个时间点共同富集；整合通路图显示24 h时0P处理下PLDZ1、GDPD1、MGDG2、DGDG2、SQD2表达高于4P，4P处理下木酮糖-5-磷酸、核酮糖-5-磷酸和果糖-6-磷酸积累水平较高，而PPCK1、PPCK2、PEPC1、PDC1在0P下表达更高。qRT-PCR验证：9个DEGs的表达模式与RNA-seq结果一致，Pearson相关系数为0.839–0.986。

讨论部分总结：P营养状况塑造冷害前基础生理和代谢状态，4 mM P供应与更有利的基础生理代谢状态相关，但需注意本实验设计无法完全区分浓度效应与P恢复速率效应。P供应通过维持组织P和ATP水平、减弱磷酸盐饥饿相关脂质代谢响应和减少补偿性碳代谢调整来缓解冷害诱导的生理和代谢紊乱，但膜脂组成未经直接定量。冷害后期P相关调控变化包括ABA糖基化相关过程（UGT75C1表达升高）、RNA沉默相关调控（RNA定向RNA聚合酶活性富集）及防御相关次生代谢物积累增加，但这些调控的功能贡献尚待实验验证。

研究结论翻译：在所测试的冷害条件下P浓度中，4 mM P对缓解黄瓜幼苗冷害诱导的生理损伤表现出最强的综合能力。生理、转录组和代谢组整合证据表明，该响应与较高的组织P和ATP水平、减弱的磷酸盐饥饿相关脂质代谢响应以及冷害期间改变的碳代谢响应相关。这些发现为短期冷害条件下P供应相关的生理和代谢响应提供了新见解。然而，仍需直接的脂质组学测定和关键候选基因及代谢物的功能验证以进一步阐明潜在机制。