甘菊（Chrysanthemum lavandulifolium (Fisch. ex Trautv.) Makino）与×morifolium Ramat.栽培种‘Yannong Qiujin’种间杂种冷胁迫网络的转录组与代谢组整合分析

《Agriculture》：Integrated Transcriptomic and Metabolomic Analysis of Cold Stress Network in Interspecific Hybrids Between Chrysanthemum lavandulifolium (Fisch. ex Trautv.) Makino and × morifolium Ramat., cv. ‘Yannong Qiujin’

　　

地被菊（groundcover chrysanthemum）先天低温适应性差，易受冷胁迫制约其区域化大规模栽培。研究人员以二倍体甘菊（Chrysanthemum lavandulifolium，父本）与六倍体栽培菊×morifolium Ramat. cv.‘Yannong Qiujin’（母本）进行种间杂交，获得倍性差异杂种，并对亲本及杂种后代开展综合生理 profiling 与多组学整合分析，以鉴定与菊属倍性差异杂种冷适应相关的候选分子通路。杂种后代半致死温度（LT50）、丙二醛（MDA）含量和相对电导率（REC）显著低于母本，表明杂种优势增强了细胞膜完整性。转录组与代谢组整合分析显示杂种后代中甘油磷脂代谢（glycerophospholipid metabolism）显著富集；甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）与溶血磷脂酸酰基转移酶（LPAAT）基因上调促进溶血磷脂酸（LPA）与磷脂酸（PA）积累，PA进一步参与磷脂酰胆碱（PC）合成，可能改善质膜通透性与低温下膜完整性。同时，ICE（inducer of CBF expression）、冷响应（COR）基因转录丰度显著升高。该研究鉴定了倍性差异菊属杂种冷适应的候选分子通路，为耐冷菊新品种选育提供理论基础。

研究背景方面，低温作为重要非生物胁迫，通过驱动细胞膜由液晶态向凝胶态相变、增加膜透性与活性氧（ROS）积累、加剧膜脂过氧化而抑制植物生长。菊属地被菊观赏价值高但低温适应性弱，限制其在北方露地规模化应用。尽管远缘杂交已被用于导入野生抗逆资源，但同属内倍性差异（二倍体×六倍体）杂种的抗冷表型与分子基础尚缺乏系统研究。为此，研究人员以二倍体野生强抗冷甘菊为父本、六倍体观赏栽培种‘Yannong Qiujin’为母本开展人工种间杂交，获得单株杂种‘Yannong Danyun’（DY），通过生理、SRAP标记、转录组与代谢组整合分析解析其冷适应网络。论文发表于《Agriculture》。

主要关键技术方法上，研究人员采用以下手段：以延边大学教学基地种植的亲本材料于花期去雄授粉获得杂种，经SRAP（Sequence-Related Amplified Polymorphism）分子标记验证杂种真实性；以亲本与杂种扦插苗进行4℃、0℃、?4℃、?8℃、?12℃梯度低温处理测算LT₅₀，并结合REC、MDA、SOD、CAT、Proline（Pro）及DAB/NBT染色评估膜损伤与ROS水平；取5℃处理2 h的顶端叶进行Illumina NovaSeq X Plus转录组测序（比对至菊属参考基因组）与非靶向UHPLC–HRMS代谢组检测；通过DESeq2筛选差异表达基因（DEG，|log₂FC|>2且FDR<0.05），代谢组经PLS-DA/OPLS-DA与VIP>1、FDR<0.05筛差异积累代谢物（DAM），再作KEGG共富集与Pearson相关（|r|>0.8，FDR<0.05）整合分析；最后用qRT-PCR验证GPAT、LPAAT、MAPKKK、MAPK、ICE、DREB、COR、PAP、FAD2表达趋势。

研究结果部分，3.1节SRAP分析显示杂种带型同时含父、母本特征条带，PPL为69.83%，确认种间杂种身份。3.2节形态与杂种优势显示DY株高、冠幅、叶长、头状花序径、舌状花数与长度均超中亲值，具正中间杂种优势（MPH）。3.3节LT₅₀测定表明母本QJ为?3.14℃，杂种DY降至?9.02℃，膜稳定性增强。3.4节生理与染色显示低温下DY的H₂O₂、MDA低于QJ，SOD、CAT、Pro、可溶性蛋白高于QJ，DAB/NBT着色介于双亲间偏父本，证实DY抗冷性强于母本。3.5节转录组PCA显示样本重复聚类紧密，DY表达谱更近父本CL。3.6节GO富集提示DEG集中于质体、细胞质、叶绿体等细胞组分。3.7节KEGG显示QJ_vs_DY中MAPK信号、花青素合成等富集，DY_vs_CL中甘油磷脂代谢、脂肪酸降解等富集。3.8节代谢组在DY_vs_CL检出1508个DAM，QJ_vs_DY检出1071个，共442个交集；DY中PC、DAG、PA及蔗糖等渗透溶质高于QJ。3.9节整合分析锁定甘油磷脂代谢为共有显著通路，GPAT/LPAAT上调伴LPA/PA积累，且与ICE-COR表达正相关。

讨论部分指出，SRAP规避了菊属高倍数染色体计数误差；DY的LT₅₀、MDA、抗氧化酶与渗透调节物质水平证明杂种优势提升膜完整性与ROS清除。转录-代谢联动表明：内质网G3P经GPAT→LPA→LPAAT→PA，PA既作脂质第二信使激活MAPK级联进而诱导ICE-CBF-COR，又经PAP脱磷为DAG，经Kennedy途径（CPT催化）生成PC修补冷损膜脂；DY中MAPKKK/MAPK/ICE/DREB/COR及蔗糖、DAG、PC均高于QJ，构成倍性差异杂种冷适应核心。结论部分翻译如下：本研究证实父本与杂种中MAPK基因显著上调，转录激活下游ICE-CBF-COR信号级联；同时杂种相对母本显著积累蔗糖等渗透溶质。综上，杂种冷适应性增强至少部分由MAPK依赖的ICE-CBF-COR通路激活所赋予。