转录组和代谢组梯度揭示烤烟上部叶从生长向防御和光合作用的功能转变

《Plant Stress》：Transcriptomic and Metabolomic Gradients Reveal a Functional Shift from Growth to Defense and Photosynthesis in Upper Leaves of Flue-Cured Tobacco

　　

烤烟上部叶呈现明显的发育和代谢梯度，然而其空间代谢重编程的调控机制仍 largely 不明确。本研究整合了转录组学、代谢组学、植物激素谱分析和生理学分析，以表征连续5个上部叶位的分子和代谢变化。转录组分析显示，随着叶位升高，转录差异逐渐增大，在L15_vs_L11比较中鉴定出2493个差异表达基因（DEGs），并在L15中检测到1309个位置特异性DEGs，表明最上部叶片转录特化增强。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析显示，沿叶位梯度，代谢从初级代谢过程逐渐转向次生代谢、碳同化、激素信号转导和胁迫相关通路。代谢组学分析鉴定出生物碱和萜类为主要的差异积累代谢物类别，其中L13_vs_L11比较中的差异积累代谢物（DAMs）数量最多，提示L13是一个潜在的代谢转变相关叶位，而非普遍发育开关。尼古丁积累在L13达到峰值，而总氮含量、叶绿素含量、净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）则向L15逐渐升高，表明上部叶光合活性增强且碳-氮分配发生改变。植物激素谱分析揭示了三种主要分布模式：由1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）、茉莉酸（JA）和顺式玉米素核苷（cZR）代表的位置依赖性积累；吲哚-3-乙酸（IAA）的相对稳定波动；以及脱落酸（ABA）、赤霉素3（GA₃）、油菜素内酯（BL）和水杨酸（SA）的发育阶段相关变化。加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定出与氮、糖和尼古丁相关性状关联的基因模块，其中包含来自WRKY、TIFY、GRAS和NAC家族的候选转录因子。转录组与代谢组整合分析进一步揭示了淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷代谢、类黄酮代谢和谷胱甘肽代谢的协同重塑，反映出成熟上部叶中代谢流重新分配至次生代谢和抗氧化相关过程。总之，该研究为理解烤烟上部叶发育中叶位依赖性代谢重编程提供了多组学框架，并强调了激素动态、碳-氮分配和次生代谢在上部叶发育中的协同作用。

烤烟上部叶叶位依赖性代谢重编程的多组学研究解读

烤烟上部叶富含生物碱、含碳含氮化合物及香气前体，是决定卷烟感官品质和工业价值的关键部位。然而，沿垂直叶位梯度，代谢分化尤其是从生长相关初级代谢向品质相关次生代谢转变的调控机制仍不明确。已有研究多针对整叶、单一叶位或特定环境处理，缺乏对连续上部叶位的系统多组学整合，也鲜有将内源激素动态纳入调控网络。为此，研究人员以烤烟品种云烟99为材料，对打顶后连续5个上部叶位（L11-L15）开展研究，旨在揭示叶位依赖性代谢重编程的调控机制，为上部叶品质分化和分层采收提供理论依据。论文发表于《Plant Stress》。

研究人员系统测定了农艺性状、光合参数、常规化学成分和8种内源激素，并整合转录组、代谢组与WGCNA分析。结果发现，随着叶位升高，光合能力持续增强，而代谢分配从初级碳储存转向次生代谢、抗氧化保护和胁迫适应；L13被鉴定为代谢转变相关位点，尼古丁积累在此达到峰值，同时伴随大量转录和代谢重塑及JA、ABA、GA₃信号的动态变化；L14-L15则优先积累可溶性糖、苯丙烷/类黄酮和谷胱甘肽抗氧化代谢，而非继续积累尼古丁。该研究构建了多组学框架，强调激素动态、碳-氮分配和次生代谢在上部叶发育中的协同作用。

主要技术方法：样本来自云南省丽江市永胜县永北镇（海拔2099.7 m，红粘土，前作蚕豆），烤烟品种云烟99，打顶后留15叶，取底部向上第11至第15叶位（L11-L15），每叶位6个生物学重复。主要方法包括：转录组测序（Illumina平台，参考基因组GCF_000390325.3）及差异表达基因（DEGs）分析；广泛靶向代谢组学（LC-MS/MS）及差异积累代谢物（DAMs）分析；植物激素定量（UHPLC-MS/MS）；农艺性状、光合参数（LI-6400）和常规化学成分测定；加权基因共表达网络分析（WGCNA）；qRT-PCR验证。

研究结果如下：

3.1 烤烟上部叶转录组比较分析：通过对5个叶位进行转录组测序，PCA显示叶位间明显分离；DEGs数量随叶位升高而增加，L15_vs_L11比较中鉴定到2493个DEGs，其中1309个为L15特有。KEGG富集显示，随叶位升高，代谢从初级代谢转向次生代谢、碳