综合转录组与代谢组分析揭示紫花苜蓿对茉莉酸甲酯响应的分子与代谢基础

《BMC Plant Biology》：Comprehensive transcriptome and metabolome analysis revealing the molecular and metabolic basis of methyl jasmonate response in alfalfa

　　

摘要

茉莉酸甲酯（MeJA）作为一种植物信号分子和生长调节剂，能够调节植物的生理指标和代谢物的合成。外源 MeJA 施用可以改变紫花苜蓿（Medicago sativa）对非生物和生物胁迫的抵抗力。然而，在实际应用中仍面临挑战和困难。本研究通过用不同浓度的 MeJA 处理栽培品种“中天三号”，鉴定了紫花苜蓿中的差异丰富代谢物（DAMs）及相关通路。基于形态和生理指标的测量，结合代谢组和转录组分析，进一步筛选和分析了调节这些代谢变化的关键基因功能。生理结果表明，随着 MeJA 浓度的增加，紫花苜蓿叶片变得更加黄化，POD 和 PAL 的活性以及可溶性糖、淀粉、总酚和黄酮的含量显著增加。SOD 活性仅在高浓度下发生显著变化，而 OPC 含量在低浓度下略有增加，在高浓度下显著减少。基于叶片切片和染色观察，当用浓度为 0.15 mmol/L 和 0.3 mmol/L 的 MeJA 处理时，叶片、栅栏组织和海绵组织的厚度显著降低，而在 0.075 mmol/L 浓度下无显著差异。代谢组学分析显示，在 MeJA 施用后的紫花苜蓿中共检测到 3,166 个 DAMs，主要包括黄酮类、萜类、氨基酸及其衍生物。转录组分析显示，七个苯丙烷类相关基因（C4H, F3H, CYP93B16, CYP75B1, CYP81E1/E7, IFS, CYP81E9）被转录激活，包括 GH3, JAZ, COI-1, CAM, GS2, AHA1/2, EBF1/2 和 PR1 在内的激素相关基因持续诱导，表明茉莉酸信号级联反应的参与。本研究阐明了 MeJA 如何调节紫花苜蓿中的关键次生代谢物及其潜在的分子机制。总的来说，这些结果为利用 MeJA 诱导增加功能性代谢物含量、优化牧草营养价值以及培育抗逆紫花苜蓿材料奠定了理论基础。