转录组和代谢组分析揭示ABA诱导油菜在镉胁迫下硫代葡萄糖苷和类黄酮生物合成的机制

《Oil Crop Science》：Transcriptomic and metabolomic analysis reveals the mechanism underlying ABA-induced biosynthesis of glucosinolates and flavonoids in rapeseed under Cd stress

　　

硫代葡萄糖苷（GSL）和类黄酮生物合成途径是ABA赋予镉（Cd）胁迫抗性的关键途径。ABA处理上调了已被Cd抑制的GSL和类黄酮生物合成中关键基因的表达。ABA处理逆转了Cd诱导的七种特定硫代葡萄糖苷和十种类黄酮积累水平的抑制。

镉（Cd）是毒性最强的重金属污染物之一，其生物危害包括抑制酶功能、导致蛋白质去折叠、干扰信号转导和引发氧化应激损伤。植物通过胞外物质结合Cd、酶促与非酶促抗氧化系统清除活性氧（ROS），以及合成植物螯合肽（PCs）络合Cd等方式应对胁迫。硫代葡萄糖苷（GSLs）是十字花科植物中重要的含硫次生代谢物，在非生物胁迫响应中发挥关键作用；类黄酮是广泛存在的酚类化合物，有助于清除ROS并络合重金属。脱落酸（ABA）是介导植物逆境响应的重要激素，已有研究表明外源ABA可缓解多种作物的Cd毒害，但ABA调控油菜在Cd胁迫下GSL和类黄酮代谢的系统机制尚不明确。为此，研究人员以甘蓝型油菜品种‘Youfei No.1’为材料，采用50 μmol/L Cd和5 μmol/L ABA处理，结合转录组和代谢组学方法，系统解析ABA对Cd胁迫下油菜次生代谢途径的调控机制。该研究揭示了ABA通过恢复Cd抑制的GSL和类黄酮生物合成相关基因表达及代谢物积累，增强油菜Cd抗性的分子机制，为培育抗重金属污染作物提供了潜在代谢靶点。论文发表在《Oil Crop Science》。

在技术方法方面，研究人员以‘Youfei No.1’种子（来源于湖南省作物研究所）为材料，水培至5叶期后设置对照组（CK）、50 μmol/L Cd处理组（Cd）和Cd+5 μmol/L ABA共处理组。对处理3 h和6 h的叶片进行Illumina RNA-seq转录组测序，使用HISAT2比对参考基因组，DESeq2鉴定差异表达基因（DEGs）；对处理3 d的叶片进行UPLC-MS/MS非靶向代谢组分析，通过KNN算法填补缺失值，以|log₂(FC)|≥1且FDR<0.05筛选差异代谢物；采用KEGG和GO富集分析解析生物学通路，并利用RT-qPCR验证关键基因表达。

3.1 外源ABA处理缓解油菜镉胁迫：通过表型观察发现，Cd处理导致叶片严重黄化、生长迟缓，而Cd+ABA共处理显著减轻了这些毒性症状，证实ABA对Cd胁迫损伤具有缓解作用。

3.2 Cd和ABA处理下油菜的代谢组学分析：主成分分析（PCA）显示样本组内聚集、组间分离，数据重复性好。与CK相比，Cd处理3 d后鉴定出118种差异代谢物（47种上调，71种下调）；Cd+ABA与CK比较有220种差异代谢物（132种上调，88种下调）；Cd+ABA与Cd比较有184种差异代谢物（127种上调，57种下调）。KEGG富集分析显示，类黄酮生物合成途径在Cd vs CK和Cd+ABA vs CK中均富集，而Cd+ABA vs Cd中同时富集类黄酮和硫代葡萄糖苷生物合成途径，表明这两条途径同时响应Cd胁迫和ABA处理。

3.3 Cd和ABA处理下油菜的转录组学分析：转录组测序发现，处理3 h时，Cd vs CK有5722个DEGs（3175个上调，2717个下调），Cd+ABA vs CK有4774个DEGs（2656个上调，2118个下调），Cd vs Cd+ABA有2491个DEGs（1613个上调，878个下调）；处理6 h时相应比较组分别有3938、4643和1677个DEGs。维恩图分析显示，3 h和6 h各比较组分别有209个和145个共有的差异表达基因，它们可能在油菜对Cd和ABA的响应中发挥重要作用。

3.4 DEGs富集分析：KEGG富集显示，多个比较组中硫代葡萄糖苷生物合成、类黄酮生物合成、硫代谢等通路显著富集。GO富集分析表明，Cd胁迫显著诱导细胞氧化应激响应、未折叠蛋白响应、硫酸盐还原和硫代葡萄糖苷生物合成相关基因，而Cd+ABA共处理组富集到植物激素信号传导、细胞壁多糖代谢和蛋白质磷酸化调控等过程，表明外源ABA能够调节激素信号网络，激活硫同化代谢以促进ROS清除和重金属螯合。

3.5 Cd和ABA处理下硫代葡萄糖苷途径的转录组和代谢组联合分析：共鉴定到108个GSL代谢相关基因，包括侧链延伸、核心结构合成、侧链修饰和转录因子等类别。Cd胁迫抑制了大多数基因的表达，少数基因上调；其中GGP1、CYP83B1和IMGT5等基因在Cd下表达受抑，但外源ABA处理使其恢复至正常水平。代谢组共检出35种GSL，其中7种GSL（如N-Hexyl GSL、6-Methylthiohexyl GSL和Hexyl GSL等）在Cd胁迫下积累量降低，而ABA补充后恢复，这些代谢物可能是ABA调控GSL途径抵御Cd毒性的关键物质。

3.6 Cd和ABA处理下类黄酮途径的转录组和代谢组联合分析：共鉴定到112个类黄酮代谢相关基因，涵盖苯丙烷途径、类黄酮生物合成途径和转录因子。4CL4、TT5和TT6等基因在Cd处理下表达受抑，但Cd+ABA共处理恢复或增强其表达。代谢组鉴定出174种类黄酮化合物，其中10种（包括6-Hydroxykaempferol-7,6-O-Diglucoside、Kaempferol-3-O-sophoroside和Quercetin-3-O-rutinoside等）在Cd胁迫下含量降低，ABA处理后恢复至正常水平，这些类黄酮可能是ABA缓解Cd胁迫的潜在关键代谢物。

3.7 qRT-PCR验证：研究人员选取GSL合成基因（GGP1、CYP83B1、IMGT5）和类黄酮合成基因（4CL4、TT5、TT6）进行RT-qPCR分析，结果与转录组测序数据一致，证实了RNA-seq数据的可靠性。

讨论部分指出，ABA通过恢复Cd抑制的GSL和类黄酮积累，从ROS清除和重金属络合两条核心途径缓解Cd毒性。类黄酮分子骨架上的酚羟基可提供氢质子中和Cd诱导的ROS，邻二羟基结构可与游离Cd²⁺形成稳定螯合物；GSL含硫侧链参与细胞内硫资源分配，其降解产物涉及气孔运动调节和重金属胁迫信号转导。该研究还发现，Cd胁迫下大多数GSL和类黄酮合成基因表达受抑，而ABA能逆转这种抑制，表明ABA信号系统通过转录激活调控次生代谢通路。这一调控机制与拟南芥、蒺藜苜蓿中报道的黄酮醇糖苷和脂肪族硫代葡萄糖苷作为核心非酶促抗氧化防御物质的作用一致。

研究结论可翻译为：该研究采用转录组和代谢组联合分析，旨在探索油菜如何响应Cd暴露以及ABA在此过程中可能发挥的保护作用。结果表明，Cd暴露显著诱导了基因表达模式和次生代谢物组成的改变，其中GSL和类黄酮尤为突出。在GSL代谢途径中，研究人员发现一些基因（GGP1、CYP83B1和IMGT5）的表达及GSL水平在Cd胁迫下降低，但在Cd与ABA共处理时恢复正常，这些基因和代谢物可能是ABA调控GSL途径抵御Cd胁迫的关键。在类黄酮代谢途径中，几个基因（4CL4、TT5和TT6）的表达以及十种类黄酮的含量在Cd下下调，但ABA处理使其恢复正常，这些可能是ABA调控类黄酮途径帮助抵抗Cd胁迫的关键基因和代谢物。总之，本研究结果表明，次生代谢的调控，尤其是通过GSL和类黄酮途径，是ABA增强油菜Cd抗性机制的关键因素。这些结果不仅加深了人们对植物适应重金属压力机制的理解，还为未来旨在培育更具环境污染物抗性作物的遗传或农业措施提供了潜在的代谢靶点。