脱落酸–细胞分裂素串话通过苯丙烷途径调控酸枣抗旱性：基于生理学与多组学整合的研究洞见

《Plant Physiology and Biochemistry》：ABA–cytokinin crosstalk regulate drought tolerance in Ziziphus jujuba var. spinosa through the phenylpropanoid pathway: insights from physiological and multi-omics integration

　　

干旱胁迫是制约枣树生产的主要因素。尽管脱落酸（ABA）与细胞分裂素对植物生长具有相反作用，但近期研究发现二者联合施用可增强枣树抗旱性；然而，其潜在机制仍不清楚。本研究在干旱胁迫条件下对酸枣幼苗施加3种外源处理：5 mg L^?1 ABA、由50 mg L^?1 6-苄氨基嘌呤（6-BA）与100 mg L^?1 激动素（KT）组成的细胞分裂素混合液，以及ABA与细胞分裂素联合溶液。研究人员整合转录组学（transcriptomics）与代谢组学（metabolomics）分析，以阐明ABA与细胞分裂素如何协同调控干旱响应。结果表明，ABA诱导茎增粗，增强渗透调节与抗氧化能力，上调参与木质素生物合成的细胞色素P450 84A1样蛋白（CYP84A1）表达，并下调肉桂醇脱氢酶（CAD）。相比之下，细胞分裂素通过上调延伸因子2（elongation factor 2）和L-乳酸脱氢酶B（L-lactate dehydrogenase B）、下调花青素合酶（ANS）和过氧化物酶（peroxidase），并改变半乳糖/淀粉代谢，从而促进茎伸长，但这是以牺牲胁迫耐受性为代价。联合处理协调了这种相反效应，在不损害细胞分裂素介导生长优势的前提下增强了胁迫防御，并诱导3018个差异基因和285种代谢物。苯丙烷生物合成途径被鉴定为ABA–细胞分裂素串话的核心，其中2个CAD的上调有助于增强抗旱性，另有4个编码CAD、过氧化物酶和肉桂酸-4-羟化酶（C4H）的基因在该串话中发挥关键作用。此外，β-葡萄糖苷酶18（BGLU18）被鉴定为与13种苯丙烷类化合物相关的候选基因。本研究揭示了苯丙烷途径与ABA–细胞分裂素串话共同调控枣树抗旱性的分子联系。

该论文发表于《Plant Physiology and Biochemistry》，聚焦于酸枣在干旱胁迫下的激素调控机制，核心问题是植物如何在逆境中协调“生长维持”与“胁迫防御”这对普遍存在的生物学矛盾。干旱是限制枣树产量、品质与树体生长的重要环境因子，而酸枣作为栽培枣的重要砧木，其抗逆机制具有显著的理论和应用价值。既往研究已表明，脱落酸（ABA）是干旱应答中的核心激素，通常促进气孔关闭、渗透调节和抗氧化防御；细胞分裂素则多与细胞分裂、营养生长和器官发育相关，且常被视为干旱响应中的负调控因子。然而，已有结果又提示，外源细胞分裂素在特定条件下并非单纯削弱抗旱性，而ABA与细胞分裂素联合处理甚至可能提高抗旱能力。这一现象说明二者之间存在复杂的激素串话（crosstalk），但在木本果树尤其是酸枣中的分子基础仍不明确，因此有必要开展系统研究。

为解析这一问题，研究人员以组织培养扩繁的酸枣幼苗为材料，在受控干旱条件下设置对照、ABA、细胞分裂素混合液以及ABA+细胞分裂素联合处理4组，通过表型、生理、转录组和代谢组联合分析，系统评估不同激素处理对酸枣抗旱性的影响。研究结果表明，ABA主要推动植株形成较紧凑、茎秆更粗壮的形态，并显著提升叶片相对含水量、渗透调节能力和抗氧化能力；细胞分裂素则更明显地促进节间伸长和叶片扩展，但伴随更严重的氧化损伤和较弱的抗旱表现。相比之下，ABA与细胞分裂素联合处理能够兼顾生长维持和逆境防御，表现为更好的茎粗、节间长度、叶宽、含水量以及复水后的再生能力。多组学结果进一步指出，苯丙烷生物合成途径（phenylpropanoid biosynthesis）是这一激素串话的核心枢纽，其在木质素分支和黄酮分支上的重塑共同支持了酸枣在干旱下的适应。该研究的重要意义在于，不仅解释了ABA与细胞分裂素并非简单拮抗，而是能够通过代谢重编程实现功能协调，也为酸枣及相关木本作物的抗旱调控和分子改良提供了候选通路与基因靶标。

研究人员采用的主要技术方法包括：以酸枣组织培养苗为统一材料来源，在40%田间持水量条件下实施外源激素叶面喷施；测定节间长度、茎粗、叶宽、相对含水量以及丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等生理指标；利用RNA-seq开展转录组测序、差异表达基因（DEGs）筛选、GO/KEGG富集、蛋白互作网络（PPI）与Mfuzz聚类分析；采用LC-MS进行代谢组检测和差异积累代谢物（DAMs）分析；通过转录组–代谢组联合分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）及qRT-PCR验证，筛选与苯丙烷代谢相关的关键候选基因。

在研究结果部分，论文首先以“3.1. Phenotypic and physiological responses to ABA and cytokinins treatments under drought condition”为题，说明不同激素处理下酸枣幼苗在形态和生理层面的显著分化。结果显示，ABA处理抑制节间过度伸长、促进茎增粗和叶片保水，反映出更强的抗旱适应性；细胞分裂素处理虽然促进株高和叶片扩展，但植株茎细、叶含水量低，并伴有黄褐色坏死斑，显示其优先生长而削弱抗逆。联合处理则同时改善株型和保水能力。生理测定进一步证明，ABA与联合处理均能降低MDA含量，提高SOD与CAT活性，并增强可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸积累，其中联合处理总体保护效应最强。这一部分说明，ABA主导胁迫防御，而细胞分裂素单独处理偏向生长，二者联用则优化了生长—抗逆平衡。

在“3.2. DEG profiling following ABA and cytokinins treatments under drought stress conditions”中，研究人员通过转录组分析揭示了激素响应的分子规模差异。联合处理相对于对照诱导了最多的差异表达基因，共3018个，明显高于单独ABA或单独细胞分裂素处理，说明激素串话会引发更广泛的转录重塑。三类处理中既存在共同响应基因，也存在大量特异响应基因，提示ABA、细胞分裂素及其联合作用分别具有共享与专属性调控模块。

在“3.3. Hub regulatory genes in response to drought stress induced by ABA and cytokinin signalling”中，研究人员基于蛋白互作网络筛选关键枢纽基因。ABA处理中特异上调CYP84A1，提示其可能通过木质素生物合成参与ABA诱导的茎增粗与抗旱增强。细胞分裂素处理中，延伸因子2和L-乳酸脱氢酶B成为特征性枢纽基因，反映其对蛋白合成调节和能量/氧化还原状态的影响。联合处理中则出现更多与代谢和胁迫防御相关的枢纽节点，说明串话并非简单叠加，而是形成了新的调控网络。

在“3.4. Functional characterization of DEGs following ABA and cytokinins treatments under drought stress”中，GO与KEGG富集结果进一步明确了不同处理的功能指向。ABA处理的差异基因主要富集于苯丙烷生物合成、细胞色素P450代谢和黄酮生物合成，并涉及木质素代谢、茉莉酸与水杨酸响应，显示其主要强化防御与结构适应。细胞分裂素处理则更多富集于谷胱甘肽代谢、维生素B⁶代谢、花青素生物合成以及半乳糖代谢，并与激素水平调节相关，表明其更偏向促进代谢活化和生长维持。联合处理主要集中在苯丙烷生物合成、黄酮生物合成和小分子代谢调控，说明二者共同作用下形成了兼顾生长与防御的综合响应框架。

在“3.5. DAM profiling following ABA and cytokinins treatments under drought stress”中，代谢组结果显示三种处理均引起显著代谢重编程，其中细胞分裂素处理引发的差异代谢物数量最多，联合处理次之。三组处理中最丰富的代谢物大类均包括脂类及脂样分子、苯丙烷类与多酮类以及有机杂环化合物。进一步分析发现，联合处理形成了部分独有的代谢物变化，同时也整合了ABA特异与细胞分裂素特异响应代谢物，说明激素串话在代谢层面具有明显的重构效应。代谢物富集分析显示，ABA主要影响支链氨基酸代谢，细胞分裂素显著影响脂肪酸合成、半乳糖代谢及淀粉和蔗糖代谢，而联合处理则突出富集于苯丙烷和脂肪酸生物合成，体现出生长与抗逆的双重调节特征。

在“3.6. Co-enrichment pathways of the DEGs and DAMs induced by ABA and cytokinin signalling under drought stress”中，研究人员通过转录组–代谢组联合分析确定了共富集通路。结果表明，联合处理与细胞分裂素处理均在苯丙烷生物合成途径上表现出显著的转录—代谢协同重塑，而联合处理还在黄酮生物合成途径上显著富集。对苯丙烷途径的分支解析表明，ABA与细胞分裂素对黄酮分支和木质素分支的调控方向并不完全相同。若干关键基因如CHI显著上调，提示黄酮分支被广泛激活；而CAD、ANS、过氧化物酶和C4H等基因则呈现处理依赖性的差异表达模式。特别是2个CAD基因在联合处理中上调，而另一些CAD、过氧化物酶和C4H基因在单激素与联合处理中呈现相反或被缓冲的表达变化，说明这些基因可能正是ABA–细胞分裂素串话的关键节点。

在“3.7. Candidate genes related to phenylpropanoid biosynthesis induced by ABA and cytokinin signalling under drought stress”中，研究人员结合相关性分析与WGCNA，从苯丙烷相关差异代谢物和差异基因中筛选候选调控因子。结果显示，多个苯丙烷类代谢物与若干结构基因显著相关，其中BGLU18与部分羟基香豆素类代谢物相关性最强。进一步网络分析从相关模块中筛选出9个苯丙烷通路注释基因，并构建了由5个关键基因和18个代谢物组成的显著相关网络。BGLU18、过氧化物酶15、过氧化物酶47和GLC等因此被认为是重要候选基因。值得注意的是，这些基因在干旱前后并无显著变化，提示其更可能是对外源ABA和细胞分裂素处理作出响应，而非由干旱本身直接诱导。

讨论部分围绕“激素串话如何重塑生长—防御权衡”展开。研究指出，ABA处理使酸枣形成更紧凑、粗壮的抗逆型表型，符合ABA抑制地上部生长、促进逆境适应的一般规律；细胞分裂素则刺激营养生长，但单独使用会加剧氧化损伤并削弱抗旱能力。联合处理之所以表现最佳，是因为其在保留细胞分裂素促生长优势的同时，借助ABA增强渗透调节和抗氧化防御，从而达到更优平衡。多组学证据共同支持苯丙烷生物合成途径是这一平衡的核心通路：一方面，黄酮分支可能有助于维持正常代谢活动；另一方面，木质素分支相关基因的精细调控与茎秆加粗、木质化和抗旱性提升密切相关。研究还指出，CAD家族成员之间存在功能分化，不同成员在单激素和联合处理中的表达差异，可能决定了木质素积累与抗旱效应的具体走向。对于BGLU18，结果显示其受细胞分裂素显著下调，但联合处理中植株再生能力依然较强，说明ABA可能通过其他途径对这一负面效应进行补偿。

研究结论部分可概括为：本研究系统阐明了外源ABA与细胞分裂素增强酸枣抗旱适应的作用机制。表型、生理、转录组和代谢组分析表明，ABA通过激活木质素生物合成相关基因增强形态适应性，而细胞分裂素在干旱条件下促进生长相关过程，但以削弱胁迫防御为代价。ABA与细胞分裂素联合处理能够协调胁迫防御与生长维持之间的平衡，从而提高抗旱适应能力。苯丙烷途径被确定为ABA–细胞分裂素介导抗旱适应的核心通路，其中CAD、过氧化物酶、C4H和BGLU18被筛选为该通路中的候选关键基因。这些发现为今后开展酸枣激素调控抗旱机制研究提供了重要基础。